时序库基础：时序弧、建立保持时间、传输延迟与转换时间

各位同学，今天我们来聊聊时序库的根基——时序弧、建立保持时间、传输延迟和转换时间。这些概念，说白了就是STA（静态时序分析）的“语法规则”。你想想看，没有这些基础，你连一个最简单的触发器都分析不了。

我个人习惯把时序库比作一本“芯片行为词典”。它告诉EDA工具：每个标准单元在什么条件下会怎么工作。而时序弧，就是这本词典里的“动词”。

一、时序弧的概念

什么是时序弧？简单说，就是从一个输入引脚到输出引脚之间的时序关系。我刚开始接触时，觉得这名字挺唬人，其实它就是一条“路径”。

时序弧分几种类型：

• 组合时序弧：输入变化直接导致输出变化。比如一个与非门，A变低，Y就变高。这种弧没有时钟参与。
• 时序时序弧：从时钟到输出，或者从数据到时钟。比如触发器的CK到Q，或者D到CK的建立时间检查。
• 边沿敏感弧：只在时钟上升沿或下降沿触发。这是时序单元的核心。

在库文件里，时序弧是用timing()组描述的。我给你们看个例子：

pin (CK) {
    timing () {
        related_pin : "Q";
        timing_type : "rising_edge";
        cell_rise (delay_template_7x7) {
            index_1 ("0.1, 0.3, 0.7, 1.2, 2.0, 3.5, 5.0");
            index_2 ("0.1, 0.3, 0.7, 1.2, 2.0, 3.5, 5.0");
            values ( \
                "0.12, 0.18, 0.25, 0.35, 0.50, 0.70, 0.95", \
                ...
            );
        }
    }
}

嗯，这里要注意：related_pin指定了弧的起点，timing_type定义了弧的类型。我见过不少新手把rising_edge和combinational搞混，结果时序分析全乱套。

二、建立时间与保持时间

这两个概念，是时序分析的“命门”。我当年做第一个项目时，就因为建立时间违例，芯片流片回来跑不到目标频率，差点被老板骂死。

建立时间（setup time）：数据在时钟有效沿之前必须保持稳定的最短时间。说白了，就是数据要“提前到场”，不能迟到。

保持时间（hold time）：数据在时钟有效沿之后必须保持稳定的最短时间。也就是数据不能“早退”。

在库文件里，它们是这样定义的：

pin (D) {
    timing () {
        related_pin : "CK";
        timing_type : "setup_rising";
        rise_constraint (constraint_template_7x7) {
            index_1 ("0.1, 0.3, 0.7, 1.2, 2.0, 3.5, 5.0");
            index_2 ("0.1, 0.3, 0.7, 1.2, 2.0, 3.5, 5.0");
            values ( \
                "0.08, 0.12, 0.18, 0.25, 0.35, 0.50, 0.70", \
                ...
            );
        }
    }
}

这里timing_type是setup_rising，表示上升沿建立时间检查。保持时间则是hold_rising。

三、传输延迟与转换时间

这两个参数，决定了信号在单元内部的“旅行速度”。

传输延迟（propagation delay）：从输入变化50%到输出变化50%的时间差。它分为cell_rise（输出上升延迟）和cell_fall（输出下降延迟）。

转换时间（transition time）：信号从低到高（或高到低）变化所需的时间。通常定义为10%到90%（或20%到80%）。库文件里用rise_transition和fall_transition表示。

看个例子：

pin (Y) {
    timing () {
        related_pin : "A";
        timing_type : "combinational";
        cell_rise (delay_template_7x7) { ... }
        rise_transition (delay_template_7x7) { ... }
        cell_fall (delay_template_7x7) { ... }
        fall_transition (delay_template_7x7) { ... }
    }
}

你想想看，为什么要有转换时间？因为信号不是瞬间跳变的。转换时间越长，延迟就越大，功耗也越高。我在做低功耗设计时，经常需要平衡转换时间和延迟。

四、时序检查类型

时序检查，就是验证设计是否满足时序要求。常见的检查类型有：

检查类型	库文件关键字	说明
建立时间检查	setup_rising / setup_falling	数据必须在时钟沿前稳定
保持时间检查	hold_rising / hold_falling	数据必须在时钟沿后稳定
恢复时间检查	recovery_rising / recovery_falling	异步复位信号必须在时钟沿前释放
移除时间检查	removal_rising / removal_falling	异步复位信号必须在时钟沿后保持
最小脉宽检查	min_pulse_width	时钟或数据信号的最小高/低电平宽度
时钟抖动检查	clock_uncertainty	时钟边沿的不确定性

举个例子，恢复时间检查在库文件里是这样写的：

pin (RN) {
    timing () {
        related_pin : "CK";
        timing_type : "recovery_rising";
        rise_constraint (constraint_template_7x7) { ... }
    }
}

嗯，这里要注意：恢复时间和移除时间，很多人容易搞混。说白了，恢复时间就是异步复位信号“醒来”的时间，移除时间就是它“睡去”的时间。

好了，这一章就到这里。下一章我们会讲如何用Liberty格式描述这些时序信息，包括查找表的构建和索引选择。有什么问题，欢迎课后交流。