setup & hold ， synchronous & asynchronous

这篇文章主要整理静态时序分析（STA）的一些基本概念

1. setup time & hold time

数字电路中最重要的时序单元是触发器，而最常用的触发器就是 DFF

对于任何一个 DFF， 都有两个重要的参数： setup time 和 hold time

这两个参数是相对于时钟信号上升沿（或者下降沿）来定义的：

setup time 是指：在 CLK 端的时钟信号上升沿到来之前， D 端数据信号必须保持稳定的最短时间，这个最短时间长度记为 Tsu

hold   time 是指：在 CLK 端的时钟信号上升沿到来之后， D 端数据信号必须继续维持稳定的最短时间，这个时间长度记为 Th

也就是说，D 端的数据信号必须比时钟上升沿提前至少 Tsu 时间到达D端，且在时钟上升沿到来之后的 Th 时间长度内依然保持稳定，才能保证 DFF 将 D 端的数据信号稳定的锁存下来。

换句话说，如果时钟上升沿出现在时间 Tr，那么在（Tr - Tsu，Tr + Th）这个时间区间内，DFF 的 D 端数据必须保持稳定不变，否则 DFF 就无法准确地锁存数据，导致电路出错。

数字电路设计的重中之重就是要保证每一个 DFF 都能够将其输入端的数据稳定地锁存住，也就是要保证每个 DFF 的 setup time 和 hold time 都不出现违例。

 

2. 静态时序分析（STA）基本模型

下图就是一个最简单的静态时序分析模型：

 

 在时钟上升沿的驱动下，REG1 将其 D 端的数据锁存下来并且输出到 Q 端， Q 端的数据经过组合逻辑运算后传输到 REG2 的 D 端，然后在下一个时钟上升沿的驱动下，REG2 将其 D 端的数据锁存下来，这样就完成了一次数据运算，并将运算结果保存在 REG2 中，整个过程需要在一个时钟周期内完成。

在这个过程中，最重要的是当数据到达 REG2 的 D 端时，必须满足 REG2 的 setup time 和 hold time，这样才能准确地锁存数据。

静态时序分析的目的，就是分析 REG2 的 setup time 和 hold time 是否得到满足，如果不满足，就需要报出 timing violation，引导工具或者设计人员修改。

 

3. setup check & hold check

setup check 和 hold check 可以用波形图直观地表示出来：

setup check：

时钟 clk1 的 launch edge 驱动 REG1 发出数据，经过组合逻辑运算后传输到 REG2 的 D 端，然后被 clk2 的 capture edge 锁存到 REG2 中，如果组合逻辑很复杂，导致数据传输路径太长，那么数据就可能侵入 REG2 的 setup time，导致数据无法准确锁存，所以 setup check 就要求数据传输不能太慢，否则会引起 setup violation

hold check：

上面说到如果数据传输路径太长，可能导致setup violation，那么如果数据传输路径非常短，数据就会在很短时间内到达 REG2 的 D 端，此时 REG2 可能还正在锁存上一个数据，也就是数据侵入了 REG2 的 hold time，导致上一个数据无法准确锁存，所以 hold check 就要求数据传输不能太快，否则会引起 hold violation

总结来讲，setup check 和 hold check 要求数据传输路径既不能太长，又不能太短，数据必须在如下图所示的 timing window 内到达，才能保证电路正常工作。

 

4. synchronous & asynchronous

在静态时序分析中，有一个很重要的概念是同步和异步

如果 launch clock 与 capture clock 有固定的相位差，那就是同步时序

如果两者没有固定的相位差，那就是异步时序

一般情况下，STA 只检查同步时序，不用检查异步时序

同步时序又分为以下几种情况：

a） launch 和 capture 的周期相同：

这种情况最简单，launch clock 发出的数据被一个周期后的capture clock 锁存，setup check 和 hold check 如下图：

b） launch 和 capture 的周期不同，且 launch 周期小于 capture 周期

这是典型的快时钟域到慢时钟域，此时有多个上升沿发出的数据可能被同一个capture 上升沿采集到，如下图：

那么在这种情况下，STA 工具会选择哪些边沿来做时序分析呢？

首先，launch 的周期是10ns，capture 的周期是 15ns，可以看出每隔30ns形成一个循环，所以只需要考虑30ns 以内的情况，后面的都是无限重复

工具会从这 30ns 内找出最苛刻的时钟边沿来做时序分析，对于 setup 来说，从 10ns 到 15 ns 这组的时序是最严格的，所以工具会选择这组来做 setup check； 而对于 hold， 从 0ns 到 0ns 这组的时序最严格，所以选择这组做 hold check，保证从 0ns 发出的数据不会干扰到capture edge 在 0ns 采集上一组数据

c） launch 和 capture 的周期不同，且 launch 的周期大于 capture 的周期

这是慢时钟域到快时钟域，那么此时又该选择哪些边沿来做时序分析？

首先，launch 的周期是 15， capture 的周期是10， 两者的最小共同周期就是 30ns， 而在 30ns 内，对于 setup 最严格的时序是从 15ns 到 20ns 这一组，所以工具会选择这组做 setup check，而对于hold， 最严格的依然是从 0ns 到 0ns， 所以选择这组做 hold check

 

总之，对于 launch 和 capture 周期不同的同步时序电路，只要先找出两者的最小共同周期，然后在这个周期内找到最苛刻的那组时钟沿，就可以快速分析出用来做 setup check 和 hold check 的时钟沿；比如下面这个例子，launch clock 的周期是6ns，capture 的周期是10ns，那么两者的最小周期就是 30ns，在这 30ns 内，最严格的 setup 是从 18ns 到 20ns，而最严格的 hold 依然是从 0ns 到 0ns 。

 

对于异步时序来说，由于无法确定launch 和 capture 的最小共同周期，各个时钟边沿之间也没有固定的时间差，所以是无法做时序分析的，对于跨时钟域的异步电路，需要在设计阶段就做好防护，采用多级 register、异步 FIFO 等方法确保数据的准确传输。

 

 

 

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