13条FPGA基础知识，构建你的“逻辑观”10

lilino

10、FPGA的时序基础理论

我们的分析从下图开始，下图是常用的静态分析结构图，一开始看不懂公式不要紧，因为我会在后面给以非常简单的解释：

这两个公式是一个非常全面的，准确的关于建立时间和保持时间的公式。其中Tperiod为时钟周期；Tcko为D触发器开始采样瞬间到D触发器采样的数据开始输出的时间；Tlogic为中间的组合逻辑的延时；Tnet为走线的延时；Tsetup为D触发器的建立时间；Tclk_skew为时钟偏移，偏移的原因是因为时钟到达前后两个D触发器的路线不是一样长。

这里我们来做如下转化：

因为对于有意义的时序约束，建立时间余量Tslack,setup和保持时间余量Thold都要大于0才行，所以对于时序约束的要求其实等价于：

Tperiod>Tcko+Tlogic+Tnet+Tsetup-Tclk_skew             (1)

Tcko+Tlogic+Tnet>Thold+Tclk_skew                             (2)

之前说了，这两个公式是最全面的，而实际上，大部分教材没讲这么深，他们对于一些不那么重要的延时没有考虑，所以就导致不同的教材说法不一。这里，为了得到更加简单的理解，我们按照常规，忽略两项Tnet和Tclk_skew。原因在于Tnet通常太小，而Tclk_skew比较不那么初级。简化后如下：

Tperiod>Tcko+Tlogic+Tsetup                                         (3)

Tcko+Tlogic>Thold                                                         (4)

简单多了吧！但是你能看出这两个公式的含义吗？其实（3）式比较好理解，意思是数据从第一个触发器采样时刻传到第二个触发器采样时刻，不能超过一个时钟周期啊！假如数据传输超过一个时钟周期，那么就会导致第二个触发器开始采样的时候，想要的数据还没有传过来呢！那么（4）式又如何理解呢？老实说，一般人一眼看不出来。

我们对于（4）式两边同时加上Tsetup，得到（5）：

Tcko+Tlogic+Tsetup>Thold+Tsetup                               (5)

结合（3）式和（5）式，我们得到如下的式子：

Thold+Tsetup  <Tcko+Tlogic+Tsetup<  Tperiod                   (6)

这个式子就是那个可以让我们看出规律的式子。也是可以看出静态时序分析本质的式子。

Tcko+Tlogic+Tsetup是指数据从第一级触发器采样瞬间开始，传输到第二级触发器并被采样的传输延时。我们简称为数据传输延时。下面讲述（6）式两端的含义。

Tcko+Tlogic+Tsetup<  Tperiod ：约定数据传输延时不能太大，如果太大（超过一个时钟周期），那么第二级触发器就会在采样的时刻发现数据还没有到来。

Thold+Tsetup  <Tcko+Tlogic+Tsetup：约定数据传输延时不能太小。这就奇怪了，数据传得太慢大家都知道不好，难道传得太快也不行吗？是的，不行！Thold+Tsetup是一个触发器的采样窗口时间，我们知道，D触发器并不是绝对的瞬间采样，它不可能那么理想。在D触发器采样的瞬间，在这瞬间之前Tsetup时间之内，或者这瞬间之后Thold时间之内，如果输入端口发生变化，那么D触发器就会处于亚稳态。所以采样是有窗口的，我们把Thold+Tsetup的时间宽度叫做触发器的采样窗口，在窗口期内，D触发器是脆弱的，对毛刺没有免疫力的。假如数据传输延时特别小，那么就会发现，当第二级触发器开始采样的时候，第一级触发器的窗口期还没有结束！也就是说，如果这个时候输入端数据有变化，那么不仅第一级触发器处于亚稳态，第二级触发器也将处于亚稳态！

综上，我们就可以知道，数据传输延时既不能太大以至于超过一个时钟周期，也不能太小以至于小于触发器采样窗口的宽度。这就是静态时序分析的终极内涵。有了这个，就不需要再记任何公式了。

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在D触发器采样的瞬间，在这瞬间之前Tsetup时间之内，或者这瞬间之后Thold时间之内，如果输入端口发生变化，那么D触发器就会处于亚稳态。