setup time的一些思考点

还是用题来引出话题吧，看这道笔试题：

如图触发器F1、F2、F3和F4的clk到Q的延时Tcq为1ns，setup time为2ns，hold time为1ns，缓冲器的延时为1ns，组合逻辑L1的延时为2ns，L2的延时是4ns。

1）如果没有setup时钟违例，该系统的最高时钟频率是多少？（这个可能还需要进一步思考）

2）如果F2没有setup违例，clk时钟频率最高可以达到多少？

3）如果按照2）中的时钟，F4的setup和hold slack是多少？

我们先把这个题解一下吧。

1）找到关键路径为F3-L-F4，其延时为t1=Tcq+Tl2+Tsetup-△T=1+4+2-2=5ns

则可计算的最高时钟频率f1=1/t1=200MHz

经检测此时其余路径无违规。

2）t2= Tcq+Tl1+Tsetup-△T=1+2+2-0=5ns

则此时的最高时钟频率为f2=1/t2=200MHz

3）setup slack=t2+△T-Tl2-Tcq-tsu=5+2-4-1-2=0ns

hold slack=Tl2+Tcq-△T-Thd=4+1-2-1=2ns

 

之后我们来看下建立时间。

对逻辑电路里建立时间（setup time）的分析，其实相对于保持时间（hold time）要简单些。还是以两个寄存器的时序电路为例，注意观察D2寄存器如果想要采样到输入信号的话，那么在始终上升沿到来之前，信号必须在D2端口已经到达了一段时间，这段时间就是建立时间。如果建立时间不满足的话，很有可能会产生亚稳态等问题。下图的电路图中，Q1的信号经过logic后到达端口D2的时间与时钟到达触发器D2的时间差就是建立时间。

 

看看时序图就简单了。下图中，第一个时钟上升沿采样D1信号，进过Tcq时间传到Q1端，再经过Tcom时间经过组合电路到达D2端，此时领先将要到达的时钟沿的时间即是理论最大建立时间（？这里我有点不会表述了），那么在不考虑时钟偏移的情况下，我们可以得到D2触发器建立时间的最大值。

Tsetup

那么建立时间余量也就很清楚啦。

setup time stack = T-(Tcq+Tcom)-Tsetup

 

进一步的我们把时钟偏移Tclk_d1s和Tclk_d2s引入进来，图我就不画了在另外的博客中有。思考一下时钟偏移会有什么影响呢？最简单的说就是可以使D1->Q1->D2这条路径数据变化的时间更加的充裕（显然在Tclk_d2s>Tclk_d1s时），因此我们将公式修正如下：

Tsetup

setup time stack = T+(Tclk_d2s-Tclk_d1s)-(Tcq+Tcom)-Tsetup

或者是

Tsetup

setup time stack = T+△T-(Tcq+Tcom)-Tsetup

建立时间裕量的计算就完成了。通过观察公式我们发现建立时间和时钟周期的关系很大，这也就推导出了时钟周期的表达式：

T>Tsetup+(Tcq+Tcom)max-△T

因此我们可以根据关键路径计算出一个最小时钟周期（周期越小频率越大）。