靜態(tài)時(shí)序的分析原理及詳細(xì)過程

靜態(tài)時(shí)序分析是檢查IC系統(tǒng)時(shí)序是否滿足要求的主要手段。以往時(shí)序的驗(yàn)證依賴于仿真，采用仿真的方法，覆蓋率跟所施加的激勵(lì)有關(guān)，有些時(shí)序違例會(huì)被忽略。此外，仿真方法效率非常的低，會(huì)大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的開發(fā)周期。靜態(tài)時(shí)序分析工具很好地解決了這兩個(gè)問題。它不需要激勵(lì)向量，可以報(bào)出芯片中所有的時(shí)序違例，并且速度很快。

通過靜態(tài)時(shí)序分析，可以檢查設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑分布；檢查電路中的路徑延時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致setup違例；檢查電路中是否由于時(shí)鐘偏移過大導(dǎo)致hold違例；檢查時(shí)鐘樹的偏移和延時(shí)等情況。此外靜態(tài)時(shí)序分析工具還可以與信號(hào)完整性工具結(jié)合在一起分析串?dāng)_問題。常用的靜態(tài)時(shí)序工具是PrimeTime。

下面主要闡述一下靜態(tài)時(shí)序的分析原理：靜態(tài)時(shí)序分析工具讀入門級(jí)網(wǎng)表、時(shí)序約束等信息，然后進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析。分析過程可以分為3步：

1）將電路分解為時(shí)序路徑，即將電路轉(zhuǎn)換為時(shí)序路徑的集合。時(shí)序路徑是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)沿著時(shí)序路徑進(jìn)行傳遞。它的起點(diǎn)是輸入端口或者寄存器的時(shí)鐘，終點(diǎn)是輸出端口或者一個(gè)寄存器的輸入引腳，每個(gè)路徑最多只能穿過一個(gè)寄存器。這樣時(shí)序路徑就可以劃分為：輸入端口到寄存器、寄存器到寄存器、寄存器到輸出端口、輸入端口到輸出端口。如下圖所示，分析其時(shí)序路徑：

根據(jù)時(shí)序路徑的定義，我們可以找到4條時(shí)序路徑：從輸入端口A到FF1的D端；從FF1的Clk端到FF2的D端；從FF2的clk端到輸出端口out1;從輸入端口A到輸出端口out1。將這些路徑在下圖標(biāo)出：

2）計(jì)算每個(gè)路徑上面的延時(shí)。在一個(gè)路徑上，可能包含這幾類延時(shí)：連線延時(shí)（布局布線前后的延時(shí)計(jì)算方法不一樣）、組合邏輯的單位延時(shí)（影響因子有輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，該值也決定輸入晶體管的翻轉(zhuǎn)速度、負(fù)載、單元本身的固有延時(shí)、制程、電壓、溫度等）、寄存器從clk端到Q端的延時(shí)。一個(gè)路徑上的延時(shí)是該路徑上所有連線的延時(shí)與單位延時(shí)的綜合。延時(shí)一般定義為從輸入跳變的50%時(shí)刻到輸出跳變的50%之間的時(shí)間。

3）檢查路徑時(shí)序約束是否滿足。路徑約束主要指的是建立時(shí)間約束和保持時(shí)間約束。在寄存器的綜合庫(kù)描述中對(duì)寄存器的D端定義了建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束。所謂建立時(shí)間約束是指在采樣時(shí)鐘到達(dá)之前，數(shù)據(jù)應(yīng)該穩(wěn)定的時(shí)間；保持時(shí)間是指在時(shí)鐘到達(dá)之后，數(shù)據(jù)應(yīng)該保持的時(shí)間，這樣才能保證寄存器正確地鎖存數(shù)據(jù)。對(duì)于純組合邏輯，時(shí)序分析主要檢查最大延時(shí)約束和最小延時(shí)路徑。這種情況比較簡(jiǎn)單。

時(shí)鐘對(duì)于時(shí)序電路至關(guān)重要。在進(jìn)行RTL設(shè)計(jì)時(shí)，可以認(rèn)為時(shí)鐘是理想的，但在靜態(tài)時(shí)序分析的時(shí)候，必須考慮到實(shí)際的時(shí)鐘情形。時(shí)鐘模型的精度直接影響了靜態(tài)時(shí)序分析的精度。時(shí)鐘的非理想性包括：

1）時(shí)鐘偏移（clock skew):同一時(shí)鐘原到達(dá)不同的寄存器的延時(shí)不同。

2）時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter）:時(shí)鐘頻率和相位會(huì)不斷變化，脈沖寬度會(huì)發(fā)生變化。

實(shí)際情況中，振蕩器、互連、電源、負(fù)載都會(huì)影響到時(shí)鐘，導(dǎo)致時(shí)鐘出現(xiàn)偏移、抖動(dòng)。下面主要講一下在靜態(tài)時(shí)序分析中，如何對(duì)實(shí)際的時(shí)鐘進(jìn)行建模?？紤]下圖中的電路，電路中時(shí)鐘源位于芯片外部。我們將時(shí)鐘定義在芯片端口上，從時(shí)鐘源到達(dá)端口需要經(jīng)過3ns左右的延時(shí)（板級(jí)走線的延時(shí)），從時(shí)鐘端口到寄存器要經(jīng)過1ns左右的延時(shí)（時(shí)鐘樹的延時(shí)），對(duì)時(shí)鐘樹的延時(shí)進(jìn)行建模可以采取下面的辦法：

1）先在端口上定義時(shí)鐘：

create_clock per8.0 [get_ports clk]

2）設(shè)置從時(shí)鐘源到時(shí)鐘端口的板級(jí)延時(shí)：

set_clock_latency source 3 clk

3）設(shè)置時(shí)鐘樹本身的延時(shí)，在布局布線之前可以采取下面的方法： set_clock_latency 1 clk;在布局布線之后，可以得到時(shí)鐘樹延時(shí)的確定值，采用如下的命令：set_propagated_clock clk;

但是如果知道時(shí)鐘源上的時(shí)鐘具有0.2ns的不確定性，如下圖所示，可以采用下面的方法進(jìn)行建模：

set_clock_latency 2.8 source early [get_ports clk]

set_clock_latency 3.2 source late [get_ports clk]

在設(shè)計(jì)中，往往存在分頻時(shí)鐘，如下圖是一個(gè)2分頻電路。

如果進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析時(shí)，直接援用create_clock來設(shè)置，則PT會(huì)將分頻后的時(shí)鐘看做是一個(gè)與源時(shí)鐘毫無關(guān)系的時(shí)鐘。這樣在分析源時(shí)鐘域與分頻時(shí)鐘域之間的信號(hào)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)問題。正確設(shè)置分頻時(shí)鐘方法如下：

create_generated_clock name divide

source [get -pins U4/clk] divide-by 2 [get -pins U4/Q]

下面概括介紹一下對(duì)于靜態(tài)時(shí)序分析腳本構(gòu)造的大致過程：

1）讀入設(shè)計(jì)的相關(guān)信息：鏈接庫(kù)、網(wǎng)表，如果是PR之后的靜態(tài)時(shí)序分析還需要讀入寄生參數(shù)信息

2）設(shè)置驅(qū)動(dòng)及負(fù)載

3）設(shè)置時(shí)鐘

4）設(shè)置建立時(shí)間和保持時(shí)間

5）設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則約束：最大負(fù)載、最大轉(zhuǎn)換時(shí)間等

6）分析時(shí)序：用report_timing 等檢查時(shí)序，用report_constraint 檢查是否有違例。

具體的構(gòu)造過程可以參考綜合腳本，這里不再詳述。

編輯：hfy