VLSI设计基础10-时序逻辑电路设计$二$

参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化
目录

1. 时序基础概念

1. 时序分析的目的
   对数字系统进行时序检查，判断电路是否可以正常工作（常面临建立时间和保持时间等问题），判断电路的性能等。

常常分析电压、温度、工艺（工艺角）等参数进行分析。

2. 时序分析的分类

1. 静态时序分析（STA）
   主要研究对象：建立时间、保持时间、传播延时

常用于分析同步时序电路（源时钟和目的时钟相同）

时序分析模型：

同步时钟/异步时钟
D触发器分割组合逻辑

一般不需要进行太复杂的仿真，仅需要计算就可以进行分析，运行速度快。

不依赖于激励，根据穷尽信号路径上的器件就可以进行计算

常用方法是使用查找表——①输入跳变时间②输出负载（电容）→①传播延时②输出跳变（下一级的输入跳变）。

2. 动态时序分析（DTA）
   指门级仿真
   主要用于异步逻辑、多周期路径
   在FPGA中，将RTL代码综合利用综合工具综合成门级网络进行仿真，其中各种门级器件的逻辑是厂家提供的。
3. 【时钟】沿
   发送沿：发送数据的源时钟活动沿
   捕获沿：接收数据的目的时钟的活动沿
   源时钟：用于发送数据的时钟
   目的时钟：用于接受数据的时钟
   小贴士：在同步电路中，源时钟和目的时钟是同一个

4. 时序约束参数$重点$

即：建立时间tsu、保持时间thold、传播延时tc-q，同时我们引入污染时间tcd

1. 建立时间：
   对于捕获沿到来之前，数据需要保持稳定的时间
   间接约束了组合逻辑的最大延时
2. 保持时间：
   对于捕获沿到来之后，数据需要保持稳定的时间
   间接约束了组合逻辑的最小延时
3. 传播时间（延时）：
   即 最大延时 时间
   捕获沿50%（数据输入沿50%【注意：数据输入沿其实就是捕获沿！！！】）到数据稳定输出（输出数据50%）的时间

根据器件不同，可以分为组合逻辑传播延时tlogic​​和寄存器传播延时tc-q，详细见后文。

4. 污染时间：
   可以理解为 最短延时 时间——理想状态下
   从输入“扰动”到输出“扰动”的时间，下文进行解释。
   根据器件不同，可以分为组合逻辑污染延时tlogic,cd和寄存器污染延时tc-q,cd，详细见后文
   所谓理想状态，指的是数据没有跳变时间，即数据跳变是瞬间完成的，数据跳变的90%、50%、10%​​是在同一个时间。
   根据以上理想状态的定义，可认为一有扰动，数据就跳变完成。

5. 计算污染时间和传播时间
   
   现对图中四个时间进行解释：
   
   

   5. 各种信号路径、时序路径

   信号的路径主要分为三个
   
   时钟路径
   源时钟路径&目的时钟路径
   
   数据路径
   
   数据起点：
   对于时序逻辑电路，为某时序单元的时钟引脚
   对于组合逻辑电路，为某逻辑单元的数据输入端口
   数据终点：
   ​ 对于组合逻辑电路、时序逻辑电路都一样，均为某单元的数据输出端口
   异步路径（如异步复位）
   根据路径可将分析类型分为
   同步分析：时钟路径+数据路径
   异步分析：时钟路径+异步路径

   6. 时钟参数两大条件（重点）

6. 周期条件
   

7. 保持时间条件
   
   

   2. 时间偏差与抖动（重点）

   理想时钟：
   从时钟沿到各个单元的时钟端口的延时相等（即路径均匀）；
   同一个时刻，各个单元的时钟端的时钟相位相等。
   实际时钟：
   时钟偏差：各个时钟端口的时钟的周期没有改变，但是相位可能略有差别。
   时钟抖动：时钟的周期存在一些差别，或长或短。

   1. 时钟偏差$Clock Skew$

8. 定义与成因
   指同一个时钟域之间，时钟信号到达各个寄存器的最大时间差
   产生原因：
   时钟源到达各个端点的路径长度不同
   各个端口的负载不同
   时钟网络中插入的缓存器不等
9. 计算【全局偏差、局部偏差】
   
10. 全局时钟偏差
    
11. 局部时钟偏差
    
12. 时钟偏差分类（正负）
13. 正偏差
    正偏差，即时钟延迟方向与数据流方向一致，如图所示。
    
14. 负偏差
    正偏差，即时钟延迟方向与数据流方向相反，如图所示。
    
15. 利用时间偏差修补建立时间
    

16. 【周期T】时钟偏差对于周期的影响
    前文提到，负偏差使得实际逻辑计算的时间减小，为了填补裕量，只能增加时间周期，而提高时间周期会使得电路的性能下降。
    

    2. 时钟抖动$Clock Jitter$

17. 定义与计算
    定义：芯片某一给定点上，时钟周期宽度发生变化，或缩短或变宽

计算：

2. 【周期T】时钟抖动对于周期的影响
   因为时钟抖动是难以预料的，在确定时钟周期的时候，我们应该考虑最坏的情况，即$T-2t_{\text{jitter }}>t_{c-q}+t_{\text{logic }}+t_{su}$
   即上图所示的③-④。因为这意味着周期T需要增加tjitter​，性能降低
3. 总结