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后端Timing基础概念之：为什么时序电路要满足setup和hold？

下图是上升沿触发的D触发器的一种典型的基于传输门的设计原理：

首先我们先把注意力集中在电路的前半部分。

假设CLK的初始状态为0，此时第一个传输门导通，信号走向为：

D -> a -> b -> c -> d 注：路径1

从以上信号走向可以看出，信号必须在CLK上升沿到来之前在d点保持稳定，否则如果在这之前D pin的信号发生变化，就会导致DFF锁住错误的信号。换句话说，如果假设路径1需要花费的时间为t0，那么D处的信号必须要在CLK上升沿之前的t0或更早的时间内保持稳定。此即setup的物理意义，也是timing report种library setup time所代表的含义。

接着，当CLK从0变成1后，D与a之间的传输门关闭，a与d之间的传输门导通，此时信号走向为：

d -> a -> -> b -> e -> f(Q) -> g -> h

需要注意的是，当信号从0变为1的过程中，在一段很短的时间内，所有传输门都可能导通，若此时D端信号发生变化而CLK的transition比较慢，则会发生新值覆盖旧值而导致信号错误的现象。因此，D段信号需要在传输门完成开/关过程中保持稳定，此即为hold的物理意义，也是timing report中library hold time代表的含义。

现在我们从DFF的构造上分析了setup和hold的原理，请大家思考这样一个问题：从上面的描述可以看出，library setup time和library hold time应该都是正值，但是它们是否有可能是负值？如果有可能，在什么情况下会为负呢？

3. setup和hold为负值浅析

为了探讨方便，此处将触发器解剖为两个锁存器用以分析，该触发器原理图如图3所示。

3.1 hold time为负值

当data从pin到锁存数据的锁存器的delay时间大于clock从pin到达锁存器CK端的delay时，那么当D结束于CLK上升沿之前，此时从REGISTER层面观测到的hold为负值，而实际上在锁存数据的锁存器端，由于之前data延迟大于clock延迟，CLK'对D'进行控制时，D'相对于CLK'一直保持到CLK'为高电平之后，也就是此时hold为正值，出现在上升沿右侧。

3.2 setup time为负值

当data从pin到锁存数据的锁存器的delay时间小于clock从pin到达锁存器CK端的delay时，那么当D开始于CLK上升沿之后，此时从REGISTER层面观测到的setup为负值，而实际上在锁存数据的锁存器端，由于之前data延迟小于clock延迟，CLK'对D'进行控制时，D'出现在了CLK'之前，也就是此时setup为正值，出现在上升沿左侧。