【数字电路基础】深入理解setup time和hold time

前言

本文通过引入Latch和Flip-Flop深入分析为何DFF需要setup time和hold time

Latch与Flip-Flop

Latch属于组合逻辑电路，其时序图如下，最大的特点在于EN->Q以及D->Q均有延时

而Filp-Flop的延时来源于CK->Q

问题引入

为何Flip-Flop(DFF)没有D->Q的延时？
答： 在CLK上升沿的一瞬间，D端的信号必须保持稳定，在上升沿之前的一段稳定时间为建立时间setup time，在上升沿之后的稳定时间为维持时间hold time。

这也就意味着下图的采样是不合理的，无法知道Q端输出信号

DFF电路结构

那么，为何DFF需要setup time和hold time？
这需要从DFF的电路结构理解，DFF的一种电路图如下所示，其中Φ为CLK信号

• 当CLK为0时，左侧的传输门打开，D端信号通过传输门进入到反相器的输入端，也即X信号，而右侧的传输门会关闭，信号被锁存在中部电路
• 当CLK为1时，左侧的传输门关闭，右侧的传输门打开，信号输出到Q端

那么，信号则必须从D端传入到X点之后传输门才能关闭，也即对应了setup time。并且CLK置1时，关断左侧传输门本身需要时间，这时D端信号不能变化，否则在传输门完全关断之前，D端信号依旧可以传输到DFF内部，也即对应了hold time
更详细的时间计算可参照这篇博客：为什么会有建立时间setup和保持时间hold要求

问题拓展

在cell library中DFF的setup time可以设置为0吗

答案是可以的，如下图所示，在CLK的前端加一个buffer，用于延时，相当于将clk的波形置前了，此时CK的上升沿可以与D端的上升沿对齐，甚至setup time可以为负数

那么，在cell library中DFF的hold time可以设置为0吗

答案也是可以的，如下图所示，在D端的前面加上一个buffer，用于延时，相当于将D端口的波形置前了

那么，一个DFF cell的setup time和hold time可以同时为0吗？

显然是不可以的，因为setup time和hold time叠加本来就是一段时间，也就是setup time+hold time必须为正数，为一个时间窗口，且等于最基本的DFF的建立时间与维持时间之和

仿真歧义

再次拿出这张图，在Verilog仿真阶段该DFF可能有正常的输出，也有很多人质疑该时序图能够正常的输出，是因为仿真与实际电路是有区别的，仿真避开了电路的结构，可以直接输出CLK前一段时间的D端输入数据

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