同步电路设计中静态时序分析的时序约束和时序路径

引言

在同步电路设计中，时序是一个非常重要的因素，它决定了电路能否以预期的时钟速率运行。为了验证电路的时序性能，我们需要进行静态时序分析，即在最坏情况下检查所有可能的时序违规路径，而不需要测试向量和动态仿真。本文将介绍静态时序分析的基本概念和方法，包括时序约束，时序路径，时序裕量，setup检查和hold检查等。

时序路径

同步电路设计中，时序是一个主要的考虑因素，它影响了电路的性能和功能。为了验证电路是否能在最坏情况下满足时序要求，我们需要进行静态时序分析，即不依赖于测试向量和动态仿真，而只根据每个逻辑门的最大延迟来检查所有可能的时序违规路径。

时序，面积和功耗是综合和物理实现的主要驱动因素。芯片EDA工具的目标是在最短的运行时间内，用最小的面积和功耗，生成满足时序网表，并进行布局和布线。EDA工具会根据设计者给定的约束条件，在时序，面积，功耗和EDA工具运行时间之间做出权衡。

芯片要想以期望的时钟频率运行，就必须遵守时序约束，因此时序是最重要的设计约束。静态时序分析的核心问题是：

“在所有情况下（multi-mode multi-corner），每个同步设备（synchronous device，例如触发器）的数据输入端，在时钟边沿到达时，是否已经有正确的数据？”

上图中的虚线箭头代表了时序路径。为了保证数据能被准确地锁存，数据信号必须在时钟边沿到达触发器FF2的时钟端之前，传递到触发器FF2的数据端。

setup检查

上图展示了这条时序路径的时序情况。当时钟边沿到达FF1时，FF1会锁存FF1.D的数据。经过触发器的CLK-to-Q延迟后，数据会出现在触发器的输出端FF1.Q。这个过程叫做时序路径的launch event。

然后，数据信号经过一定的延迟，通过组合逻辑，到达触发器FF2的输入端FF2.D。数据信号到达这里的时间叫做路径的arrival time。

为了让FF2能正确地锁存数据，FF2.D的值必须在时钟边沿到达FF2的时钟端之前稳定下来，并且提前一定的时间，即触发器的建立时间。这个最小的允许时间叫做路径的required time。FF2锁存数据的过程叫做时序路径的capture event。

时序裕量

时序路径是否满足时序约束，取决于它的时间裕量，即slack。

如果数据信号比必要的时间早到达，那么slack就是正值。

如果数据信号刚好在required time到达，那么slack就是零。

如果数据信号比required time晚到达，那么slack就是负值。

在任何情况下，slack都等于required time减去arrival time。

上面描述的时序检查叫做setup检查，它用来验证数据是否能在每个时钟边沿之前及时到达时序电路。这是综合和时序优化中最常见的一种时序检查类型。

hold检查

hold检查用来验证数据在时钟边沿到达后，还能保持多久的有效性。如果从launch到capture的数据路径上的组合延迟太短，而从launch到capture的时钟路径上的延迟太长，就有可能出现hold违规。下图给出了这种情况的例子。

上图中，数据从FF1到FF2的时序路径只经过了一个NAND门，组合延迟非常短。而时钟信号从时钟源到FF2的路径上有三个缓冲器，延迟非常长。

上图显示了这种情况下的可能时序。由于数据在setup time之前到达，所以很容易满足setup约束。然而，问题在于FF2的D输入端的数据不能保持足够长的时间，导致hold约束不能满足。也就是说，数据在时钟CLKB锁存之前发生变化。

为了修复这种类型的违规，我们可以通过缩短时钟线的延迟或增加数据路径的延迟来调整时序。

最坏情况（worst-case conditions）

每种类型的时序检查都考虑了不同的最坏情况（worst-case conditions）。例如，一个setup检查（验证数据是否在时钟边沿之前到达）考虑最长的组合逻辑/最慢的数据路径，以及最早的时钟路径。相反，hold检查（验证数据是否在时钟边沿之后保持有效的时间）考虑最短/最快的数据路径，以及最晚的时钟路径。

上图显示了通过同一个模块不同组合逻辑路径的示例。在数据路径中，setup检查会考虑较长的延迟（通过三个门），而hold检查将考虑较短的路径（通过两个门）。

编辑：黄飞