建立時間與保持時間時序計算器

本計算器針對單一正反器到正反器的路徑,套用與靜態時序分析(STA)相同的推理,求出建立時間與保持時間的餘裕(slack)。改變延遲與偏移,即可看出哪項檢查最先失敗。所有數值單位皆為奈秒(ns)。

輸入(ns)

結果

建立時間餘裕
–
保持時間餘裕
–
最高頻率
–

符合 違反

上排檢查最晚抵達的資料是否早於建立時間期限(虛線);下排檢查最早抵達的資料是否晚於保持時間期限。餘裕為負表示違反。

建立時間檢查

新資料抵達擷取端正反器的最晚時間,為最大時脈至 Q 延遲加上最大組合邏輯延遲。資料必須在下一個擷取邊緣(週期加上偏移)減去建立時間與時脈不確定性之前抵達。建立時間餘裕為期限減去抵達時間;若為負值,表示週期太短,必須降低頻率或縮短邏輯路徑。

保持時間檢查

保持時間檢查的是:在同一個時脈邊緣發送的資料,是否抵達得太快,以致破壞擷取端正反器仍在鎖存的值。最早抵達時間,即最小時脈至 Q 延遲加上最小組合邏輯延遲,必須晚於偏移加上保持時間。保持時間檢查中不含時脈週期,因此降低時脈頻率永遠無法修正保持時間違反;工具會改在短路徑上插入延遲緩衝器。

時脈偏移如何影響兩項檢查

當擷取時脈比發送時脈晚到(正偏移)時,建立時間期限會往後延,有利於建立時間,但不利於保持時間。負偏移則相反。設計者有時會刻意加入偏移來挽救關鍵的建立時間路徑(useful skew),但必須重新檢查保持時間。實際的 STA 會以最差情況檢查每一條路徑:建立時間在慢速角落(slow corner)檢查,保持時間在快速角落(fast corner)檢查。

最高頻率

建立時間餘裕恰好為零時的週期,即為該路徑的最小週期,其倒數就是最高頻率:fmax = 1 / (時脈至 Q 延遲 + 組合邏輯延遲 + 建立時間 + 不確定性 − 偏移)。晶片的最高頻率由其最慢的路徑,也就是關鍵路徑決定。增加管線級數可縮短每一級的邏輯,提高可達到的頻率。

練習邏輯設計題目

下列哪一項是對正反器設置時間的正確說明?

  1. A時脈邊緣之後,資料必須持續保持的最短時間
  2. B時脈邊緣之前,資料輸入必須保持穩定的最短時間
  3. C從開啟電源到開始動作的時間
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正確答案:B. 時脈邊緣之前,資料輸入必須保持穩定的最短時間

正反器要正確取入資料,資料必須從時脈邊緣前一段時間起就保持穩定,這就是設置時間。當資料路徑的延遲超過時脈週期減去設置時間的值時即違規,放慢時脈即可解決。邊緣之後資料必須保持的時間是保持時間,只要有一項不滿足,就會造成取入錯誤的值或亞穩態。

下列哪一項是對正反器保持時間的正確說明?

  1. A時脈有效邊緣之前,必須先確定資料輸入的時間
  2. B從輸入時脈到輸出改變的時間
  3. C時脈有效邊緣之後,資料輸入也必須保持不變的時間
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正確答案:C. 時脈有效邊緣之後,資料輸入也必須保持不變的時間

保持時間是時脈邊緣之後,資料必須保持穩定的最短時間。若從前一級正反器到下一級的路徑太短,在同一個邊緣更新的新資料會太早到達下一級而違規。由於與週期無關,放慢時脈也無法改善,對策是在資料路徑插入緩衝器以增加延遲。若在製造後才發現,晶片就無法使用,因此設計時的驗證很重要。

常見問題

建立時間違反與保持時間違反的修正方式有何不同?

建立時間違反可透過降低時脈頻率、加速或重新架構邏輯,或增加管線級數來修正。保持時間違反與頻率無關,因此要在短路徑上加入緩衝器以增加延遲來修正。

時脈偏移會影響建立時間還是保持時間?

兩者都會,且方向相反。正偏移(擷取時脈較晚抵達)有利於建立時間、不利於保持時間;負偏移則相反。

時序分析中的餘裕(slack)是什麼?

餘裕就是時序上的裕度:要求時間減去實際抵達時間。餘裕為正表示通過檢查;餘裕為負即為違反。

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