FPGA建立時間和保持時間詳解

時鐘是FPGA設(shè)計中最重要的信號，F(xiàn)PGA系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動作都是在時鐘的上升沿或者下降沿進(jìn)行。無論是在輸入，輸出或是寄存器與寄存器之間，只要設(shè)計到時鐘上升沿或者下降沿的采樣，就會提到建立時間(setup TIme) 和保持時間(hold TIme) 。

建立時間(Tsu：set up TIme)是指在時鐘沿到來之前數(shù)據(jù)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定所需的時間，如果建立的時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器;保持時間(Th：hold TIme)是指數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保持的時間，如果保持時間不滿足要求那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器。

建立時間和保持時間這兩個指標(biāo)說明器件本身不是理想的(有時延等)，正是這個不理想的特性，限制了FPGA的時鐘工作頻率。

首先我們都知道setup TIme 和holdup time是由器件決定的，并不是說可以隨著你FPGA設(shè)計的改變而改變。那么FPGA時鐘頻率是怎么計算的呢，在不考慮時鐘延時抖動等條件下，一個信號從觸發(fā)器的D端到Q端的延時假設(shè)是Tcd，從Q端出來之后會經(jīng)過組合電路延時，這里注意即使沒有組合電路，就單單經(jīng)過導(dǎo)線也是有延時的，這個延時稱作Tdelay，經(jīng)過這個延時之后，信號將要去下一個觸發(fā)器，而且必須要滿足觸發(fā)器的建立時間tsetup，不然時鐘無法采樣到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

所以這三個時間加起來應(yīng)該比時鐘周期要小，否則數(shù)據(jù)無法打入下一個觸發(fā)器，那就會進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。Tcd+Tdelay+Tsetup

至于FPGA時鐘頻率與holdup time的關(guān)系，具體做設(shè)計的時候還是需要滿足Tcd+Tdelay+TsetupTholdup，也就是說Tholdup 決定了最短路徑的下限，也就是說組合邏輯是不能太大也不能太小的。這就是hold time 能起作用的地方吧。其實一般都能滿足保持時間，一般只要考慮都是要滿足建立時間。

建立時間與保持時間的簡單示意圖如下圖1所示，在圖1中我們看到clk_r3的前后各有一條虛線，前一條虛線(最左邊的虛線，左邊代表出現(xiàn)時間早，與modelsim仿真時信號依次從左往右出現(xiàn))到clk_r3上升沿的這段時間即為建立時間，clk_r3上升沿到后一條虛線(最右邊的虛線)的這段時間即為保持時間。

前面對建立時間和保持時間下定義時提到過，在這段時間內(nèi)不能夠有數(shù)據(jù)的變化，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。而在這個波形中，也確實沒有看到在建立時間和保持時間內(nèi)，reg3in的數(shù)據(jù)有任何的變化，因此我們可以穩(wěn)定的將reg3in的數(shù)據(jù)鎖存到reg3的輸出reg3out中。

同樣的一些信號，但我們發(fā)現(xiàn)reg3in在clk_r3的建立時間內(nèi)發(fā)生了變化，這帶來的后果就是clk_r3上升沿鎖存到的reg3in數(shù)據(jù)不確定，那么隨后的reg3out值也會處于一個不確定狀態(tài)。比如第一個時鐘周期，原本reg3in應(yīng)該是穩(wěn)定的低電平，但是由于整個路徑上的延時時間(Tcd+Tdelay)過長，導(dǎo)致了reg3in在clk_r3的建立時間內(nèi)數(shù)據(jù)還未能穩(wěn)定下來，在建立時間內(nèi)信號出現(xiàn)了電平從高到低的變化，即不穩(wěn)定的狀態(tài)，那么導(dǎo)致的后果就是reg3out的最終輸出不是確定的狀態(tài)，很可能是忽高忽低的亞穩(wěn)態(tài)，而不是原本期望的低電平。

我們再來看看保持時間違規(guī)的情況，這次是數(shù)據(jù)傳輸?shù)锰炝?不滿足Tcd+Tdelay>Tholdup，也就是Tcd+Tdelay時延太小)，原本應(yīng)該下一個時鐘周期到達(dá)clk_r3的數(shù)據(jù)竟然在clk_r3的前一個時鐘周期的保持時間還未過去就來到了。因此，它出現(xiàn)的最終危害也是后端輸出的reg3out處于不確定的狀態(tài)。