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IC/FPGA设计中的静态时序分析(STA)

FPGA硅农 发布时间:2022-02-15 13:15:00 ,浏览量:1

静态时序分析的概念

静态时序分析(Static Timing Analysis, STA),或称静态时序验证,是电子工程中,对数字电路的时序进行计算、预计的工作流程,该流程不需要通过输入激励的方式进行仿真。它是IC/FPGA设计中至关重要的一环,也是笔试面试中常考的点

建立时间和保持时间

在这里插入图片描述 如图所示,建立时间 T s e t u p T_{setup} Tsetup​是指在时钟上升沿到来之前,数据必须保持稳定的最小时间,以便保证数据被正确采用,而保持时间 T h o l d T_{hold} Thold​是指在时钟上升沿到来之后,数据仍然需要保持稳定的最小时间,以便数据可以被正确传输,两者之中有其一不满足,电路就有可能无法正常工作。

STA经典例子

在这里插入图片描述 如图所示,Comb表示组合逻辑,Clock Skew表示时钟偏移,假设两个D触发器都在上升沿被触发。 T c q T_{cq} Tcq​为寄存器clock端到Q端的延迟, T c o m b T_{comb} Tcomb​为组合逻辑的延迟, T s u T_{su} Tsu​和 T h d T_{hd} Thd​分别为寄存器的建立时间和保持时间, T s k e w T_{skew} Tskew​为时钟偏移, T c l k T_{clk} Tclk​为时钟周期,要求写出建立时间和保持时间所应该满足的约束。 在这里插入图片描述

如图所示,以CLK1的第一个上升沿为原点,则Q1在 T c q + T c o m b T_{cq}+T_{comb} Tcq​+Tcomb​稳定,而CLK2的第二个上升沿在 T c l k + T s k e w T_{clk}+T_{skew} Tclk​+Tskew​到达,由建立时间的定义,若要使得电路正常工作,则有 T c q + T c o m b + T s u ≤ T c l k + T s k e w (1) T_{cq}+T_{comb}+T_{su}\le T_{clk}+T_{skew}\tag{1} Tcq​+Tcomb​+Tsu​≤Tclk​+Tskew​(1) 根据上式,不难得到最大的时钟频率为 f m a x = 1 T c q + T c o m b + T s u − T s k e w f_{max}=\dfrac{1}{T_{cq}+T_{comb}+T_{su}-T_{skew}} fmax​=Tcq​+Tcomb​+Tsu​−Tskew​1​ 再来考虑保持时间,这次以第二个CLK1上升沿为原点,则Q1在 T c q + T c o m b T_{cq}+T_{comb} Tcq​+Tcomb​时刻发生变换,而CLK2的上升沿在 T s k e w T_{skew} Tskew​达到,根据保持时间的定义,若要使电路正常工作,则有 T c q + T c o m b − T s k e w ≥ T h d (2) T_{cq}+T_{comb}-T_{skew}\ge T_{hd}\tag{2} Tcq​+Tcomb​−Tskew​≥Thd​(2) 当然,如果考虑布线延时,则有如下式子: 在这里插入图片描述

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