STA：时序检查

本文主要是介绍STA：时序检查，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

介绍静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）基本原理和过程。

基于标准单元库中触发器的特性，和配置好的STA环境，针对设计中综合之后的模块，对触发器建立时间和保持时间进行检查，包括最差情况的慢速条件和最佳情况的快速条件。如果而时序检查通过就为时序收敛，否则就为时序违例，即可能出现亚稳态现象。

通常，最差情况的慢速条件对于建立时间检查很关键，而最佳情况的快速条件对于保持时间检查很关键。

本文中的SDC指令可在STA环境中查看，标准单元库的SDF可在STA标准单元中查看

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STA要分析的时序路径有如下四种

1. reg2reg

第一种是芯片内部触发器到触发器的路径。

发起触发器到捕获触发器路径如下：

参数定义：

● $T_{clk2UFF0}$：上升沿从时钟CLKM传输到UFF0的CK引脚的时钟树延迟。

时钟树综合之前，该值通过下方SDC指定

set_clock_latency 0.8 [get_clocks CLKM]

综合之后，则会根据综合后实际的线路计算延迟。

如果还存在时钟缓冲器（CKBUF），则会根据CKBUF的输入过渡时间（即CLKM的过渡时间）和CKBUF的输出负载计算CKBUF的延迟。其中CLKM的过渡时间同过下方SDC指定

set_clock_transition -rise 0.3 [get_clocks CLKM]
set_clock_transition -fall 0.45 [get_clocks CLKM]

CKBUF的输出负载则通过标准单元库的SDF指定。

● $T_{CK2Q}^{UFF0}$：数据从UFF0的D引脚到Q引脚的传播延迟

取决于标准单元库触发器的SDF描述。

● $T_{UFF02UFF1}$：数据从UFF0的Q引脚，经过一系列组合逻辑元件，最终到达UFF1的D引脚的时间

取决于综合后两触发器之间的组合逻辑，组合逻辑延迟通过标准单元库的SDF指定。

● $T_{clk2UFF1}$：上升沿从时钟CLKM传输到UFF1的CK引脚的时间

该值与$T_{clk2UFF0}$确定方式相同。

● $T_{clk}$：时钟CLKM周期，该时钟域电路工作频率

该值通过下方SDC指定

create_clock -period 10 [get_ports CLKM]

● $T_{setup\_uncertain}$：时钟CLKM建立时间不确定度，即预期时钟沿提前一段时间。

该值通过下方SDC指定

set_clock_uncertainty -setup 0.3 [get_clocks CLKM]

● $T_{hold\_uncertain}$：时钟CLKM保持时间不确定度，即预期时钟沿延后一段时间。

该值通过下方SDC指定

set_clock_uncertainty -hold 0.3 [get_clocks CLKM]

● $T_{setup}^{UFF1}$：UFF1的建立时间。

该值通过标准单元库中触发器的SDF指定。

● $T_{setup\_slack}^{UFF02UFF1}$：路径UFF0-UFF1的建立时间裕度。为待计算量，大于零表示建立时间满足。

● $T_{hold}^{UFF1}$：UFF1的保持时间。

该值通过标准单元库中触发器的SDF指定。

● $T_{hold\_slack}^{UFF02UFF1}$：路径UFF0-UFF1的保持时间裕度

1.1. 建立时间$T_{setup}$检查

建立时间要求触发器输入的数据D必须在采样时钟沿CK到来捕获触发器之前保持稳定一段时间，以保证CK时钟沿能够正确采样到数据。

当CLKM的上升沿到来时，各端口的时序图如下所示：

需要说明的是，平时也仿真工具看到的波形，其实主要是CLKM和UFF0/Q这两项，而且posedge CLKM与UFF0/Q会对齐，其实就是忽略了很多内部的延迟。

以CLKM的红线为时间原点，对捕获触发器进行STA

● 数据实际到达UFF1/D端的时间（Arrival Time）：$T_{clk2UFF0}+T_{CK2Q}^{UFF0}+T_{UFF02UFF1}$

● UFF1/D端新信号应该到达的时间（Required Time）：$T_{clk}-T_{setup\_uncertain}+T_{clk2UFF1}-T_{setup}^{UFF1}$

所以路径UFF0-UFF1中UFF1的建立时间裕度为：

$$\begin{gathered} 0<T_{setup\_slack}^{UFF02UFF1}=RequiredTime-ArrivalTime \\ =(T_{clk}-T_{setup\_uncertain}+T_{clk2UFF1}-T_{setup}^{UFF1})-(T_{clk2UFF0}+T_{CK2Q}^{UFF0}+T_{UFF02UFF1}) \\ \text{\hspace{1em}(1.1)} \end{gathered}$$

其中，$T_{setup\_slack}^{UFF02UFF1}$为正说明时序检查通过。

input2reg型、reg2output型和input2output型的建立时间裕度公式均可看作是reg2reg型建立时间裕度公式$(1.1)$的变种。

最长路径

如果UFF0/Q到UFF1/D有多个路径呢，从公式$(1.1)$可以看出，不同的UFF0/Q到UFF1/D路径中除了$T_{UFF02UFF1}$其他量均是相同的。所以UFF1的建立时间收敛将取决于$max(T_{UFF02UFF1})$

1.2. 保持时间$T_{hold}$检查

保持时间要求触发器输入的数据D必须在采样时钟沿CLKM到达捕获触发器之后保持稳定一段时间，以保证触发器能够正确输出数据。

或者说采样时钟沿CLKM到达捕获触发器之后，捕获触发器D端数据稳定一段时间之后再更新。

当CLKM的上升沿到来时，各端口的时序图如下所示：

还以CLKM的红线为时间原点

● UFF1/D端旧数据实际被更新的时间（Arrival Time）：$T_{clk}+T_{hold\_uncertain}+T_{clk2UFF0}+T_{CK2Q}^{UFF0}+T_{UFF02UFF1}$

UFF1/D端旧数据实际被更新的时间 就等价于 新数据实际到达UFF1/D端的时间

● UFF1/D端旧数据应该更新的时间（Required Time）：$T_{clk}+T_{hold\_uncertain}+T_{clk2UFF1}+T_{hold}^{UFF1}$

所以路径UFF0-UFF1中UFF1的保持时间裕度为：

$$\begin{gathered} 0<T_{hold\_slack}^{UFF02UFF1}=ArrivalTime-RequiredTime \\ =(T_{clk2UFF0}+T_{CK2Q}^{UFF0}+T_{UFF02UFF1})-(T_{clk2UFF1}+T_{hold}^{UFF1}) \\ \text{\hspace{1em}(1.2)} \end{gathered}$$

其中，$T_{hold\_slack}^{UFF02UFF1}$为正说明时序检查通过。可以看出保持时间裕度与时钟周期无关。

input2reg型、reg2output型和input2output型的保持时间裕度公式均可看作是reg2reg型保持时间裕度公式$(1.2)$的变种。

最短路径

与最长路径类似，从公式$(1.2)$，如果UFF0/Q到UFF1/D有多个组合路径，那么UFF1的保持时间收敛将取决于$min(T_{UFF02UFF1})$

1.3. 亚稳态原因

知道了亚稳态的本质，经过了STA分析，那么亚稳态的原因非常容易得出。

$(1.1)$和$(1.2)$两个式子中
$T_{setup}^{UFF1}$、$T_{hold}^{UFF1}$和$T_{CK2Q}^{UFF0}$是触发器自身特性无法改变
$T_{clk}$是同步时钟，与电路无关
剩余的量就是引起同步电路亚稳态的原因了

组合逻辑：$T_{UFF02UFF1}$

当其他量保持不变时，可以发现这个东西不能太大也不能太小。

● 如果$T_{UFF02UFF1}$太大，建立时间不满足，其实就是UFF1/CK要采样啦，UFF1/D还没稳定呢

● 如果$T_{UFF02UFF1}$太小，保持时间不满足，其实就是UFF1/Q还没驱动完，UFF1/D的值就变了

时钟偏斜（Clock Skew）：$T_{clk2UFF0}-T_{clk2UFF1}$

看公式就知道时钟偏斜是啥意思了，就是时钟信号到达不同触发器的时间不同

这个东西在同步电路中必然存在

● 如果CLKM到达UFF0先于UFF1，即$T_{clk2UFF0}-T_{clk2UFF1}<0$，保持时间不满足，其实就是UFF1/D的变化提前了

● 如果CLKM到达UFF0晚于UFF1，即$T_{clk2UFF0}-T_{clk2UFF1}>0$，建立时间不满足，其实就是UFF1/CK采样提前了

还有个时钟抖动（Clock Jitter）的概念，是指不同时期时钟周期长短不一

2. input2reg

STA：时序检查 - input2reg型

3. reg2output

STA：时序检查 - reg2output型

4. input2output

STA：时序检查 - input2output型

4. 时钟门控检查

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这篇关于STA：时序检查的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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