STA分析—延遲計算

引言

從上篇文章，我們可以很明顯的看出STA的兩大因素，一個是延遲計算，一個是約束檢查。STA最基本的工作之一就是檢查路徑延遲是否符合約束。

本篇文章主要講延遲計算。約束檢查在后續(xù)篇章講。

路徑延遲組成

路徑延遲(path delay)由單元延遲(cell delay)和線延遲(wire delay)組成：

path delay = 所有cell delay + 所有wire delay。

上篇文章中的計算式：

D(FFL1->FFC1)

= D(FFL1CP2Q) + D(C1) ~ ~ + D(UNAND1) + D(C2) + D(UINV2) + D(C3) + D(UINV3) + D(C4) + D(UINV4) + D(C5)

= 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.05 + 0.1 + 0.05 + 0.05 + 0.05 + 0.1 + 0.05

= 0.75ns

其中，D(FFL1->FFC1) 是從起始單元FFL1到終點單元FFC1的path delay，D(FFL1CP2Q)=0.1ns 是FFL1時序單元的cell delay，D(UNAND1)是UNAND1組合邏輯單元的cell delay……，D(C1)是線網(wǎng)C1的wire delay，D(C2)是線網(wǎng)C2的wire delay……

請注意，不管是path delay，還是cell delay，都有明確具體的pin起點和終點，如D(UNAND1)指的是cell UNAND1的A pin到Z pin的延遲。

Cell delay

先講Cell delay的計算

我們將圖一里反相器UINV2的內(nèi)部MOS電路畫出來，來理解cell延遲是如何發(fā)生的：

圖一 邏輯電路圖（含BC工作條件下的延遲信息）

**圖二 **反相器邏輯圖

如上圖所示，cell delay分 rise delay和fall delay 。

Rise fall是按照cell的輸出翻轉(zhuǎn)(transition)方向來定義的。考慮輸入是fall transition，輸出是rise transition的情形。 一開始，UINV2的輸入pin I上的電平是高電平，此時PMOS處于截止?fàn)顟B(tài)，NMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電容的上端通過NMOS管與地接通。 只要這個狀態(tài)持續(xù)足夠長，電容上的電會被放完，電放完時，UINV2單元的輸出pin Z處于低電平狀態(tài)。 接下來，I端開始Fall transition，到達(dá)PMOS的閾值電壓后，PMOS管完全導(dǎo)通， 電源通過PMOS管的channel向Cap充電，由于電容的存在，Z端電平出現(xiàn)一個緩慢上升的過程。

如圖二(c)所示，從I端的fall transion的50%電壓處，到Z端的rise transion的50%處，其時間差(0.1ns)即是該反相器的I端到Z端的rise delay。同樣，從圖八(d)可見，反相器的I端到Z端的fall delay是0.15ns。我們注意到rise delay和fall delay不相等，這是因為PMOS和NMOS導(dǎo)通后的channel電阻不一樣，所以充放電速度不一樣，表現(xiàn)出來即是delay不一樣。

實際的STA過程，是通過查找表的方式來獲得cell delay的。 如下圖，在NLDM庫里輸入input transition和output capacitance，得到rise delay或者fall delay值:

Wire delay

從UINV2的Z輸出端到UINV3的I輸入端之間是由金屬線連接起來的， wire存在寄生的電容電阻 。

**圖三 **線延遲

**wire delay = R1*Cap1 + (R1+R2)*Cap(UINV3/I)。**

一般情況， UINV2到UINV3之間的wire寄生參數(shù)可以用分布式RC樹來建模，作為分布式RC數(shù)的簡化模型，有T模型和Pi模型。 這里我們使用了簡化的T模型來建模和計算RC延遲。

現(xiàn)在，我們回頭再來看一下上面的path delay，它并沒有指出其delay是由起點處的rise transition還是fall transition經(jīng)過路徑傳播引起的，所以嚴(yán)格來說，計算式的正確性是值得懷疑的。

有了上述知識后，我們重新標(biāo)注了各個cell和wire的延遲，如圖十所示，“R：0.1”代表rise delay是0.1ns，“F：0.1”代表fall delay是0.1ns。同時，我們從這篇文章開始，將時鐘樹也納入考慮范圍，因此，時鐘樹上的cell delay和wire delay也標(biāo)識出來了。

圖四 邏輯電路圖（含BC****工作條件下的延遲信息）

很明顯，到FFC1存在兩條邏輯路徑，一條是從FFL1出發(fā)的路徑，一條是從FFL2出發(fā)的。從FFL1到FFC1的path delay有rise delay和fall delay，從FFL2到FFC1的path delay也有rise delay和fall delay，所以到FFC1的path delay總共有22 = 4條，即。同理，到FFC2的path delay也總共有22 = 4條。

小結(jié)

STA工具會計算這4條邏輯路徑上的總共8個path delay。然后與時序約束值做運算，判斷是否滿足約束。

想必看到這里，讀者童鞋會對路徑延遲有一個大概的了解。下一篇，我們介紹如何對這些路徑做setup、hold時序檢查，以及相關(guān)的STA概念。