数字IC设计知识点及综合题详解（提前批、秋招必刷基础题）——（二）时序分析基础（Slack、Setup、Hold、Jitter、Skew、亚稳态）异步复位，同步释放

如上图所示，在时钟上升沿到来前后的一段时间内数据必须保持稳定，否则数据就无法写入，造成“亚稳态“输出。如果前级驱动够强劲，电路就能按照趋势变化下去，一定时间后该点的值就会变化为“正确值”，如果驱动不够强劲，电路就会恢复之前的值，最终得到何值是不可控的，所以我们要避免亚稳态。在使用DFF时，必须满足其建立时间和保持时间的要求。　

1.4.4 setup和hold约束关系　　

以上图为例，假设时序如下

在上图时序中：

　　△T = Tskew

　　T1 = REG1检测到时钟后内部延时(Tclk_q) + 组合逻辑延时最后到达REG2的时间(Tcomb)

　　Tcycle = CLK的周期(Tclk)

　　Tsu=数据在CLK2上升沿到达前维持的时间

　　　　Tsu = Tcycle + Tskew - T1

　　Th=数据在CLK上升沿到达后维持的时间

　　 Th = T1 – Tskew

　　如果Ts>setup time(触发器)，Th>hold time（触发器）则数据能正常写入，由这个条件可以看出，Tskew与T1起着关键作用，而正之前所说如果使用全局时钟则Tskew会很小，可以忽略不计。

1.4.5 实例分析

以上图为例

Tsu= Tcycle + Tskew-T1 要使Tsu最小，则Tskew最小，T1最大。

Tsu(min) = Tcycle + Tskew(min) - T1(max) = Tcycle(=15) + Tskew(min)(=2+5+2-2) - T1(max) (=11+2+9+2) = 15+2+5+2-2-11-2-9-2 = 22- 24 < Tsetup

因此发生了setup violation

异步复位时：

除了同步电路中会产生亚稳态外（不满足Tsu和Th），在异步复位时也会产生亚稳态，这里需要提到复位时间与撤销时间。

1.4.6 复位时间（recovery）

复位信号释放（对于低电平有效的复位信号指上升沿），与紧跟其后的第一个时钟上升沿之间的最小时间。

1.4.7 撤销时间（removal）

时钟信号的上升沿，与紧跟其后异步复位信号从有效到无效的最小时间。

如下图所示，异步复位信号撤销必须在复位时间和撤销时间外，否则会产生亚稳态。　　　　

异步复位信号撤销时间在Trecovery和Tremoval之内，则会造成亚稳态，在时钟上升沿Tco（输出延时）后会产生振荡，振荡时间为Tmet（决断时间）。

补充：

1.只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，亚稳态主要发生在异步信号检测、跨时钟域信号传输中。

2.对于同步信号而言不满足Tsu和Th会产生亚稳态，对于异步信号，复位不满足Trecovery和Tremoval会产生亚稳态。

3.随着clk频率的增加，亚稳态发生的几率是增加的。

消除亚稳态方法：

　　1.对异步信号进行同步处理；

　　2.使用FIFO对跨时钟域数据进行缓冲处理；

　　3.复位电路采用异步复位，同步释放处理；

异步复位，同步释放：

为了避免亚稳态，让拉高的复位信号打两拍，达到与时钟clk边沿同步的目的

module asyn_reset(
	clk,
	rst_n,
	
	rst_s2
);

input clk;//时钟
input rst_n;//异步的复位信号

output reg rst_s2;//同步释放的复位信号

reg rst_s1;//中间寄存1拍

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) begin
		rst_s1 <= 1'b0;
		rst_s2 <= 1'b0;//异步复位：复位信号有效：没有打拍
	end
	else begin
		rst_s1 <= 1'b1 ;
		rst_s2 <= rst_s1;//同步释放：clk边沿触发：打了两拍
		end
end


endmodule

异步复位，同步释放的电路原理图

仿真代码

`timescale 1ns/100ps
module tb_asyn_reset();
	
	reg clk;//时钟
	reg rst_n;//异步的复位信号

	wire rst_s2;//同步释放的复位信号
	
	asyn_reset my_asyn_reset(clk,rst_n,rst_s2);
	
	always #5 clk = ~clk;
	
	initial begin
		clk = 0;
		rst_n = 1;
		#3;
		rst_n = 0;
		#2.5;
		rst_n = 1;
		#100;
		$stop;
	end
	
	
endmodule

1.5 时间裕量Slack

1.5.1 概念

时间裕量分析首先需要将电路中的路径找出来。

路径的起点有两种：时序器件的时钟输入端、电路的起点；

终点也有两种：时序器件的数据输入端、电路的终点。

如下图所示，一共有四种路径。　

除了路径外还有以下几个概念需要了解：

关键路径(critical path)：

从输入到输出中延时最大的那条路径。

到达时间(arrival time)：

信号从参考的时间起到达某特点位置的时间。

需求时间(required time)：

信号到达的最晚的时间。

时间裕量(slack)：

用需求时间减去到达时间得到的结果就是时间裕量（slack =required time- arrival time）。

如果是正数则说明路径延时满足需求，如果是负数则说明延时不满足。其中比较重要的时Hold Time Slack。

计算：

仍然以该电路为例　　　

发射沿(Launch Edge)：产生数据的REG1的clock上升沿；

锁存沿(Latch Edge)：接受数据的REG2的clock的上升沿，延时Launch Edge1个时钟；

1.5.2 数据到达时间（Data Arrival Time）

Tclk1= CLK到达REG1的时间

　　Tco = REG1固定延时

　　Tdata= 数据传输时间

时序图如下：

Data Arrival Time = Launch Edge+Tclk1+Tco+Tdata

1.5.3 时钟到达时间（Clock Arrival Time）

时序图如下：

Clock Arrival Time = latch Edge+Tclk2

1.5.4 数据建立需求时间（Data Required Time Setup）

因为数据必须在Tsu之前有效，因此:

Data Required Time Setup = Clock Arrival Time - Tsu

1.5.5 数据保持需求时间（Data Required Time Hold）

因为数据必须在Th之后才能改变，因此：

Data Required Time Hold= Clock Arrival Time+Th

1.5.6 计算Slack

Setup Slack = Data Required Time Setup - Data Arrival Time

= Clock Arrival Time - Tsu - (Launch Edge+Tclk1+Tco+Tdata )

= (latch Edge+Tclk2) - Tsu - (Launch Edge+Tclk1+Tco+Tdata )

= (latch Edge - Launch Edge) + (Tclk2 - Tclk1) - Tsu - Tco - Tdata

即Setup Slack=Tclk + Tskew - Tsu - Tco - Tdata(=Tcomb)

若Setup Slack為正，表示Data Required Time在Data Arrival Time之後，所以一定滿足Setup Time，反之若Setup Slack為負，則表示Data Arrival Time在Data Required Time之後，所以一定無法滿足Setup Time。

Hold Slack = Data Arrival Time - Data Required Time Hold

= (next)Launch Edge+Tclk1+Tco+Tdata - (Clock Arrival Time+Th)

= (next)Launch Edge+Tclk1+Tco+Tdata - (latch Edge + Tclk2 + Th)

= Tclk1 - Tclk2 +Tco +Tdata - Th

即Hold Slack=Tco +Tdata - Th - Tskew

若Hold Slack為正，表示Data Arrival Time在Data Required Time之後，所以一定滿足Hold Time，反之若Hold Slack為負，則表示Data Required Time在Data Arrival Time之後，所以一定無法滿足Hold Time。

参考文献：

(原創) timing中的slack是什麼意思? (SOC) (Quartus II) - 真 OO无双 - 博客园 (cnblogs.com)

【基础知识】时序（Slack、Setup、Hold、Jitter、Skew、亚稳态） - 要努力做超人 - 博客园 (cnblogs.com)

校招Verilog——异步复位同步释放 - 咸鱼FPGA - 博客园 (cnblogs.com)

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学习总结

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