VLSI数字集成电路设计——时序电路

静态存储器和动态存储器
静态：1. 只要接通电源，存储状态就会一直被保存，基于正反馈或再生原理
2. 一个电路的输出连到输入
3. 寄存器较长时间不被更新的时候最有用
SRAM例子：主要用于二级cache
动态：1. 存储时间很短，也许只有几毫秒，通过寄生电容暂时存储
2. 较高的性能和低的功耗
DRAM例子：内存

0. 时序电路的时间参数

寄存器模块
建立时间Tsu：时钟翻转前数据D必须有效的时间
维持时间Thold：时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间
传播延时Tc-q：输入端D处的数据在最坏情况下
组合逻辑模块
最小延迟Tplogic：一个逻辑最坏情形的延迟。
污染延迟**（contamination delay）Tcd：一个逻辑最小的延迟

==！！==关于Tcdregister + Tcdlogic >= Thold 的理解：
对于Thold，只有当为锁存器的时候才有效，因为寄存器（因为上升沿的缘故）Thold=0。
对于锁存器，当clk刚刚等于1的时候，D信号进入，然后进入Thold时间，如果此时Tcdregister + Tcdlogic < Thold，那么输出Q会变化，下一个寄存器的输入D会变化。

1. 静态锁存器和寄存器

静态的存储模块由两个反相器构成双稳态结构来保存数据。

1. 双稳态原理 —— 使用两个反向器

这一交叉耦合的两个反相器形成了双稳电路，可以用作存储器，存放1或者0


破坏稳态的方法

1. 切断反馈回路 —— 多路开关型锁存器：CLK=1，输入值；CLK=0，保持
2. 触发强度超过反馈环

2. 多路开关型锁存器 — 传输门多路开关

3. 主从结构的寄存器

（1）. 传输门设计 —— 稳定性好但时钟负载大

当CLK=0的时候，T1、T4导通，T2、T3不导通，此时D信号到达Qm，同时Q保持之前输出
当CLK=1的时候，T2、T3导通，T1、T4不导通，此时T1关闭，D无法进入，Qm进入T2和T3，Q输出Qm的内容

对于时序：
Tsu（建立时间）：I1 + I3 + I2 + T1 = 3 * Tinv + Tgate
Tcd（传播延时）：T4 + I6 = Tinv + Tgate
Thold = 0

（2）. 有比电路 —— 降低稳定性，减低时钟负载

缺点：存在反向传导，当T2导通的时候，有反向电流

4. 时钟偏差 Clock Skew

因为反相器的存在，所以CLK和非CLK会有时钟偏差


采用两相不重叠时钟

2. 动态锁存器和寄存器

1.动态传输门边沿触发寄存器

静态的两个反相器来进行双稳态的缺点是比较复杂，当频率较高的时候，可以不需要让数据保存这么久——电荷暂存在寄生电容

可以使用8个晶体管或用NMOS也就是6个晶体管。
Tsu： T1的延时
Thold = 0
Tc-q：I1 + T2 + I3 = 2 * Tinv + Tgate

时钟重叠问题的解决

对于（0，0）重叠：T1、T2的PMOS导通，导致在clk的下降沿就会出现Q的变化。
解决方法：保证D输入和节点B直接有足够的延时，以使主级采样的新数据不会传到从级
对于（1，1）重叠：T1、T2的NMOS导通。
解决方法：保证一个Thold时间。

得到条件如下

如果想增加稳定性，可以加一个小的反相器

2. C2MOS——一种对时钟偏差不敏感的方法

当（0，0）的时候，M3关断，X只能是0到1，但是如果到1了，M6就断了。所以Q的数据始终不会变。
当（1，1）的时候，X只能从1到0，如果为0，M7会断，Q也不会变

C2MOS还有双边沿触发的一个设计，可以不需要那么高频率

3.真单相钟控寄存器（TSPCR）

本方法只用一个时钟，避免了时钟重合的问题，还可以嵌入逻辑

左边为正锁存器、右边为负锁存器，将两者串联即可得到寄存器
缺点是增加了晶体管的实现

嵌入逻辑

4. 脉冲触发器

生成毛刺来表示脉冲

3. 流水线

在每个环节直接插入寄存器

可以使用锁存器代替寄存器来设计流水线。

但当有时钟重叠的时候，例如（1，1），F的值刚送到C2，新进来的值也有可能到C2，会有竞争。

改进：用一个时钟——C2MOS

4. 非双稳时序电路 —— 施密特触发器

对于0->1和1->0，有不同的阈值Vm+和Vm-

Vin = 0， Vout=0的时候，相当于M3关断，那么PMOS/NMOS = (M2 + M4)/M1，阈值增加。
当Vin = 0 -> 1的时候，阈值为Vm+
当变为1之后，M4关断，PMOS/NMOS = M2/（M1 + M3），阈值降低。