静态时序之建立时间和保持时间分析

静态时序分析包括建立时间分析和保持时间分析。建立时间设置不正确可以通过降低芯片工作频率解决，保持时间设置不正确芯片无法正常工作。

保持时间分析与建立时间分析的电路结构相同。需要分析的变量与建立时间分析的变量相似，包括：C（时钟信号传递到源触发器的延时）、E（时钟信号传递到目标触发器的延时）、B（从源触发器到目标触发器所经过的组合逻辑电路的延时）、tco（源触发器延时）。

图一，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

结合图一和图二说明建立时间和保持时间。

建立时间的设置需保证时钟信号到达目标触发器前，数据信号已在目标触发器稳定建立，在图二波形图中显示为Data数据的替换的时间点先于E的第二个时钟上升沿。

保持时间的设置需保证数据信号在目标触发器稳定建立前，数据信号可以一直保持，源触发器的下一个数据信号未替换当前信号，在图二的波形图中显示为Data数据替换的时间点滞后于E的第一个时钟上升沿。即满足如下公式：

tco+B>E-C+th

其中th为保持时间。

图二，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

图三是Quartus Ⅱ工具关于保持时间的分析结果，图中红色字部分显示保持时间设置错误，原因是Clock Skew>Data Delay，其中Clock Skew=E-C，Data Delay=tco+B。设计人员可以通过Quarus Ⅱ工具观测保持时间分析结果的具体值，如Clock Skew的值为1.018ns等。

图三，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

设计人员除了进行电路内部的时序分析，还需进行电路输入路径和输出路径的时序分析。

输入路径的建立时间和保持时间计算：基于内部建立时间（intrinsic tsu）和保持时间（intrinsic th），结合输入数据延时（data delay）和时钟延时（clock delay），得出如图四所示的两个公式（tsu为建立时间、th为保持时间）。

图四，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

输出路径的延时计算公式如图五所示，将内部延时、数据延时、时钟延时相加得出输出路径延时。

图五，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

图六展示了Quartus Ⅱ工具关于输入路径、输出路径时序分析结果。Quartus Ⅱ工具会分析所有路径，并将延时最长路径放置在最靠上的位置。每条路径的信息包括延时时长、输入引脚、输出到的寄存器、时钟信号。

由图六可以发现，输入路径（虚拟D触发器）最长的建立时间为3ns，大于内部D触发器建立时间（内部D触发器的建立时间为0.1ns-0.3ns）。

因此，如果设计人员需要设计高性能电路，需要尽可能将数据传递路径（包括内核运算逻辑和数据保存）设计在芯片内部。如果芯片设计的数据路径经过芯片外部器件如SRAM（一种寄存器），芯片性能会大幅下降。

图六，图片来源：学堂在线《IC设计与方法》

总结芯片时序分析过程，包括芯片内部保持时间分析和建立时间分析、输入路径保持时间分析和建立时间分析、输出延时分析。时序分析在芯片设计中具有重要作用，如果时序分析结果不能满足要求，一般需要修改芯片设计代码。

审核编辑：刘清