FPGA建立時(shí)間和保持時(shí)間詳解

時(shí)鐘是FPGA設(shè)計(jì)中最重要的信號(hào)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動(dòng)作都是在時(shí)鐘的上升沿或者下降沿進(jìn)行。無論是在輸入，輸出或是寄存器與寄存器之間，只要設(shè)計(jì)到時(shí)鐘上升沿或者下降沿的采樣，就會(huì)提到建立時(shí)間（setup time） 和保持時(shí)間（hold time） 。

建立時(shí)間（Tsu：set up time）是指在時(shí)鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時(shí)間，如果建立的時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個(gè)時(shí)鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器；保持時(shí)間（Th：hold time）是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時(shí)間，如果保持時(shí)間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。

建立時(shí)間和保持時(shí)間這兩個(gè)指標(biāo)說明器件本身不是理想的（有時(shí)延等），正是這個(gè)不理想的特性，限制了FPGA的時(shí)鐘工作頻率。

首先我們都知道setup time 和holdup time是由器件決定的，并不是說可以隨著你FPGA設(shè)計(jì)的改變而改變。那么FPGA時(shí)鐘頻率是怎么計(jì)算的呢，在不考慮時(shí)鐘延時(shí)抖動(dòng)等條件下，一個(gè)信號(hào)從觸發(fā)器的D端到Q端的延時(shí)假設(shè)是Tcd，從Q端出來之后會(huì)經(jīng)過組合電路延時(shí)，這里注意即使沒有組合電路，就單單經(jīng)過導(dǎo)線也是有延時(shí)的，這個(gè)延時(shí)稱作Tdelay，經(jīng)過這個(gè)延時(shí)之后，信號(hào)將要去下一個(gè)觸發(fā)器，而且必須要滿足觸發(fā)器的建立時(shí)間tsetup，不然時(shí)鐘無法采樣到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

所以這三個(gè)時(shí)間加起來應(yīng)該比時(shí)鐘周期要小，否則數(shù)據(jù)無法打入下一個(gè)觸發(fā)器，那就會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。Tcd+Tdelay+Tsetup

至于FPGA時(shí)鐘頻率與holdup time的關(guān)系，具體做設(shè)計(jì)的時(shí)候還是需要滿足Tcd+Tdelay+TsetupTholdup，也就是說Tholdup 決定了最短路徑的下限，也就是說組合邏輯是不能太大也不能太小的。這就是hold time 能起作用的地方吧。其實(shí)一般都能滿足保持時(shí)間，一般只要考慮都是要滿足建立時(shí)間。

建立時(shí)間與保持時(shí)間的簡(jiǎn)單示意圖如下圖1所示，在圖1中我們看到clk_r3的前后各有一條虛線，前一條虛線（最左邊的虛線，左邊代表出現(xiàn)時(shí)間早，與modelsim仿真時(shí)信號(hào)依次從左往右出現(xiàn)）到clk_r3上升沿的這段時(shí)間即為建立時(shí)間，clk_r3上升沿到后一條虛線（最右邊的虛線）的這段時(shí)間即為保持時(shí)間。

前面對(duì)建立時(shí)間和保持時(shí)間下定義時(shí)提到過，在這段時(shí)間內(nèi)不能夠有數(shù)據(jù)的變化，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。而在這個(gè)波形中，也確實(shí)沒有看到在建立時(shí)間和保持時(shí)間內(nèi)，reg3in的數(shù)據(jù)有任何的變化，因此我們可以穩(wěn)定的將reg3in的數(shù)據(jù)鎖存到reg3的輸出reg3out中。

同樣的一些信號(hào)，但我們發(fā)現(xiàn)reg3in在clk_r3的建立時(shí)間內(nèi)發(fā)生了變化，這帶來的后果就是clk_r3上升沿鎖存到的reg3in數(shù)據(jù)不確定，那么隨后的reg3out值也會(huì)處于一個(gè)不確定狀態(tài)。比如第一個(gè)時(shí)鐘周期，原本reg3in應(yīng)該是穩(wěn)定的低電平，但是由于整個(gè)路徑上的延時(shí)時(shí)間（Tcd+Tdelay）過長(zhǎng)，導(dǎo)致了reg3in在clk_r3的建立時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)還未能穩(wěn)定下來，在建立時(shí)間內(nèi)信號(hào)出現(xiàn)了電平從高到低的變化，即不穩(wěn)定的狀態(tài)，那么導(dǎo)致的后果就是reg3out的最終輸出不是確定的狀態(tài)，很可能是忽高忽低的亞穩(wěn)態(tài)，而不是原本期望的低電平。

我們?cè)賮砜纯幢３謺r(shí)間違規(guī)的情況，這次是數(shù)據(jù)傳輸?shù)锰炝耍ú粷M足Tcd+Tdelay>Tholdup，也就是Tcd+Tdelay時(shí)延太?。?，原本應(yīng)該下一個(gè)時(shí)鐘周期到達(dá)clk_r3的數(shù)據(jù)竟然在clk_r3的前一個(gè)時(shí)鐘周期的保持時(shí)間還未過去就來到了。因此，它出現(xiàn)的最終危害也是后端輸出的reg3out處于不確定的狀態(tài)。