一起学时序分析之建立/保持时间裕量

何为裕量？

        裕量，英文名称叫做“Slack”。我们在Vivado实现后的报告中常常能看到这样一栏：

因为都是缩写，所以我们来解释一下前四栏的含义：

1. WNS，即Worst Negative Slack，最差负时序裕量。这个表征了我们设计的电路中，最差的那条路径的时序裕量，如果为正，则说明满足建立时间要求，如果为负，则说明建立时间时序出现问题。
2. TNS，即Total Negative Slack，也就是所有负时序裕量路径之和，数字的含义和上面是一样的。
3. WHS，即Worst Hold Slack，代表最差保持时序裕量 ，为正则说明满足保持时间要求，为负则说明保持时序出现问题。
4. THS， 即Total Hold Slack，也就是总的负保持时序裕量路径之和。

        上面我们一直提到了一个词：裕量。究竟如何理解“裕量”这个词呢？所谓的裕量字面上理解就是多出来的量，之前的文章中我们讨论过建立时间和保持时间的概念。

        对于建立时间，我们要求信号在建立时间之前就要稳定下来，至于具体提前了多久，那就得用“建立裕量”WNS和TNS进行衡量。

        对于保持时间，我们要求信号要在保持时间之后才可以变换，至于延后了多久，那就得用“保持裕量” WHS，THS进行衡量。

多说一嘴，建立时间要满足时序路径中最慢的信号也要符合要求，因此称为最大分析。保持时间要保证时序路径中最快的信号也要满足要求（不能在保持时间之前变换），因此称为最小分析。

     在理解了裕量的概念之后，我们可以开始研究“裕量”究竟应该怎么进行计算了。

建立时间裕量

                 在图示的时序路径中，Clock是时钟源的时钟，由于布局布线等因素，该时钟上升沿到达reg1的时钟端口Clock1时会有一小段延时，Clock1的上升沿也被我们称为启动沿。

        从启动沿到寄存器Q输出数据还有一小段延时，即，并且数据经过寄存器间的数据通路时还会有一小段延时，即。因此我们可以得出：

数据到达时间 =时钟基准（0ns）+ （3.2ns）++(0.8ns) = 4ns

         同理，很容易计算数据被捕获的时间边界为：

数据锁存时间 = 时钟基准2（10ns）+（2ns） - 建立时间（1.4ns）= 10.6ns 

因此可以知道，

建立时间余量 =  数据锁存时间 - 数据到达时间 = 6.6ns（即图中蓝色部分）

        只要建立时间裕量是正值，则说明我们的设计是符合要求的，如果为负值则说明不满足建立时间的要求，容易产生亚稳态等问题。 

保持时间裕量

 

         保持裕量的计算和建立裕量差不多，其核心为：

保持时间裕量 = 数据保持时间 - 数据锁存时间 

对于数据保持时间：

数据保持时间 = 数据到达时间（4ns） + 数据周期时间（Sig In = 10ns） = 14ns

对于数据锁存时间：

数据锁存时间 =  时钟基准2（10ns）+（2ns） + 保持时间（1.4ns）= 13.4ns  

因此，数据的保持时间裕量：

保持时间裕量 = 数据保持时间 - 数据锁存时间 = 0.6ns 

        如果保持时间裕量为负，则说明数据在保持时间之前就发生了改变，因此将不满足保持时间的要求。

学习计算裕量的目的

        其实，在开发过程中并不需要我们去手工计算裕量，因为EDA软件将帮助我们计算。那为什么我们还要学习裕量的计算呢？其实这就是一种“从哪里来，到哪里去”的道理，我们心中要明白，这个时序裕量是怎么计算的，当我们遇到不满足裕量要求的情况时，我们能明确地知道问题的出处，以及解决问题的方法。