深入理解STA（靜態時序分析）

                              深入理解STA（靜態時序分析）

 

       任何學FPGA的人都跑不掉的一個問題就是進行靜態時序分析。靜態時序分析的公式，老實說很晦澀，而且總能看到不同的版本，內容又不那麼一致，為了徹底解決這個問題，我研究了一天，終於找到了一種很簡單的解讀辦法，可以看透它的本質，而且不需要再記複雜的公式了。

       我們的分析從下圖開始，下圖是常用的靜態分析結構圖，一開始看不懂公式不要緊，因為我會在後面給以非常簡單的解釋：  這兩個公式是一個非常全面的，準確的關於建立時間和保持時間的公式。其中Tperiod為時鐘週期；Tcko為D觸發器開始取樣瞬間到D觸發器取樣的資料開始輸出的時間；Tlogic為中間的組合邏輯的延時；Tnet為走線的延時；Tsetup為D觸發器的建立時間；Tclk_skew為時鐘偏移，偏移的原因是因為時鐘到達前後兩個D觸發器的路線不是一樣長。

                        

 

這裡我們來做如下轉化：

       因為對於有意義的時序約束，建立時間餘量Tslack,setup和保持時間餘量Thold都要大於0才行，所以對於時序約束的要求其實等價於：

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

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

       之前說了，這兩個公式是最全面的，而實際上，大部分教材沒講這麼深，他們對於一些不那麼重要的延時沒有考慮，所以就導致不同的教材說法不一。這裡，為了得到更加簡單的理解，我們按照常規，忽略兩項Tnet和Tclk_skew。原因在於Tnet通常太小，而Tclk_skew比較不那麼初級。簡化後如下：

Tperiod>Tcko+Tlogic+Tsetup (3)

Tcko+Tlogic>Thold (4)

       簡單多了吧！但是你能看出這兩個公式的含義嗎？其實（3）式比較好理解，意思是資料從第一個觸發器取樣時刻傳到第二個觸發器取樣時刻，不能超過一個時鐘週期啊！假如資料傳輸超過一個時鐘週期，那麼就會導致第二個觸發器開始取樣的時候，想要的資料還沒有傳過來呢！那麼（4）式又如何理解呢？老實說，一般人一眼看不出來。

我們對於（4）式兩邊同時加上Tsetup，得到（5）：

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

結合（3）式和（5）式，我們得到如下的式子：

Thold+Tsetup

       這個式子就是那個可以讓我們看出規律的式子。也是可以看出靜態時序分析本質的式子。

Tcko+Tlogic+Tsetup是指資料從第一級觸發器取樣瞬間開始，傳輸到第二級觸發器並被取樣的傳輸延時。我們簡稱為資料傳輸延時。下面講述（6）式兩端的含義。

Tcko+Tlogic+Tsetup< Tperiod ：約定資料傳輸延時不能太大，如果太大（超過一個時鐘週期），那麼第二級觸發器就會在取樣的時刻發現數據還沒有到來。

Thold+Tsetup ：約定資料傳輸延時不能太小。這就奇怪了，資料傳得太慢大家都知道不好，難道傳得太快也不行嗎？是的，不行！Thold+Tsetup是一個觸發器的取樣視窗時間，我們知道，D觸發器並不是絕對的瞬間取樣，它不可能那麼理想。在D觸發器取樣的瞬間，在這瞬間之前Tsetup時間之內，或者這瞬間之後Thold時間之內，如果輸入埠發生變化，那麼D觸發器就會處於亞穩態。所以取樣是有視窗的，我們把Thold+Tsetup的時間寬度叫做觸發器的取樣視窗，在視窗期內，D觸發器是脆弱的，對毛刺沒有免疫力的。假如資料傳輸延時特別小，那麼就會發現，當第二級觸發器開始取樣的時候，第一級觸發器的視窗期還沒有結束！也就是說，如果這個時候輸入端資料有變化，那麼不僅第一級觸發器處於亞穩態，第二級觸發器也將處於亞穩態！

       綜上，我們就可以知道，資料傳輸延時既不能太大以至於超過一個時鐘週期，也不能太小以至於小於觸發器取樣視窗的寬度。這就是靜態時序分析的終極內涵。有了這個，就不需要再記任何公式了。