静态时序分析中建立时间和保持时间关系详解

建立时间和保持时间关系详解

图1

建立时间（setup time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；

保持时间（hold time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。

如图1 。数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为零。PLD/FPGA开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时间。

个人理解：

1、建立时间（setup time）触发器在时钟沿到来之前，其数据的输入端的数据必须保持不变的时间；建立时间决定了该触发器之间的组合逻辑的最大延迟。

2、保持时间（hold time）触发器在时钟沿到来之后，其数据输入端的数据必须保持不变的时间；保持时间决定了该触发器之间的组合逻辑的最小延迟。

关于建立时间保持时间的考虑

华为题目：时钟周期为T，触发器D1的建立时间最大为T1max，最小为T1min。组合逻辑电路最大延迟为T2max，最小为T2min。问：触发器D2的建立时间T3和保持时间T4应满足什么条件？

分析：

Tffpd：触发器输出的响应时间，也就是触发器的输出在clk时钟上升沿到来之后多长的时间内发生变化并且稳定，也可以理解为触发器的输出延时。

Tcomb：触发器的输出经过组合逻辑所需要的时间，也就是题目中的组合逻辑延迟。

Tsetup：建立时间

Thold：保持时间

Tclk：时钟周期

建立时间容限：相当于保护时间，这里要求建立时间容限大于等于0。

保持时间容限：保持时间容限也要求大于等于0。

由上图可知，建立时间容限＝Tclk-Tffpd(max)-Tcomb(max)-Tsetup，根据建立时间容限≥0，也就是Tclk-Tffpd(max)-Tcomb(max)-Tsetup≥0，可以得到触发器D2的Tsetup≤Tclk-Tffpd(max)-Tcomb(max)，由于题目没有考虑Tffpd，所以我们认为Tffpd＝0，于是得到Tsetup≤T-T2max。

由上图可知，保持时间容限+Thold＝Tffpd(min)+Tcomb(min)，所以保持时间容限＝

Tffpd(min)+Tcomb(min)-Thold，根据保持时间容限≥0，也就是Tffpd(min)+Tcomb(min)-Thold≥0可以得到触发器D2的Thold≤Tffpd(min)+Tcomb(min)，由于题目没有考虑Tffpd，所以我们认为Tffpd＝0，于是得到Thold≤T2min。关于保持时间的理解就是，在触发器D2的输入信号还处在保持时间的时候，如果触发器D1的输出已经通过组合逻辑到达D2的输入端的话，将会破坏D2本来应该保持的数据

Tco表示dff从输入到输出延时；Tlogic表示组合逻辑延时；Tsu表示dff的建立时间；Thold表示dff的保持时间。

无skew：

T>Tco+Tlogic+Tsu

Thold

有skew：

T>Tco+Tlogic+Tsu-Tskew

Thold

建立时间与保持时间

时钟是整个电路最重要、最特殊的信号，系统内大部分器件的动作都是在时钟的跳变沿上进行, 这就要求时钟信号时延差要非常小, 否则就可能造成时序逻辑状态出错；因而明确FPGA设计中决定系统时钟的因素，尽量较小时钟的延时对保证设计的稳定性有非常重要的意义。

建立时间与保持时间

建立时间（Tsu：set up time）是指在时钟沿到来之前数据从不稳定到稳定所需的时间，如果建立的时间不满足要求那么数据将不能在这个时钟上升沿被稳定的打入触发器；保持时间（Th：hold time）是指数据稳定后保持的时间，如果保持时间不满足要求那么数据同样也不能被稳定的打入触发器。建立与保持时间的简单示意图如下图1所示。

图1 保持时间与建立时间的示意图

在FPGA设计的同一个模块中常常是包含组合逻辑与时序逻辑，为了保证在这些逻辑的接口处数据能稳定的被处理，那么对建立时间与保持时间建立清晰的概念非常重要。下面在认识了建立时间与保持时间的概念上思考如下的问题。举一个常见的例子。

图2 同步设计中的一个基本模型

图2为统一采用一个时钟的同步设计中一个基本的模型。图中Tco是触发器的数据输出的延时；Tdelay是组合逻辑的延时；Tsetup是触发器的建立时间；Tpd为时钟的延时。如果第一个触发器D1建立时间最大为T1max，最小为T1min，组合逻辑的延时最大为T2max，最小为T2min。问第二个触发器D2建立时间T3与保持时间T4应该满足什么条件，或者是知道了T3与T 4那么能容许的最大时钟周期是多少。这个问题是在设计中必须考虑的问题，只有弄清了这个问题才能保证所设计的组合逻辑的延时是否满足了要求。

答案：T-Tco-T2max>＝T3，Tco＋T2min-Tpd>＝T4

下面通过时序图来分析：设第一个触发器的输入为D1，输出为Q1,第二个触发器的输入为D2，输出为Q2；

时钟统一在上升沿进行采样，为了便于分析我们讨论两种情况即第一：假设时钟的延时Tpd为零，其实这种情况在FPGA 设计中是常常满足的，由于在FPGA 设计中一般是采用统一的系统时钟，也就是利用从全局时钟管脚输入的时钟，这样在内部时钟的延时完全可以忽略不计。这种情况下不必考虑保持时间，因为每个数据都是保持一个时钟节拍同时又有线路的延时，也就是都是基于CLOCK的延迟远小于数据的延迟基础上，所以保持时间都能满足要求，重点是要关心建立时间，此时如果D2的建立时间满足要求那么时序图应该如图3所示。

从图中可以看出如果：

T-Tco-Tdelay>T3

即：Tdelay< T-Tco-T3

那么就满足了建立时间的要求，其中T为时钟的周期，这种情况下第二个触发器就能在第二个时钟的升沿就能稳定的采到D2，时序图如图3所示。Tco是触发器的数据输出的延时。

图3 符合要求的时序图

如果组合逻辑的延时过大使得

T-Tco-Tdelay

那么将不满足要求，第二个触发器就在第二个时钟的升沿将采到的是一个不定态，如图4所示。那么电路将不能正常的工作。