为什么会有建立时间(setup)和保持时间(hold)要求

时序（Timing）是数字电路设计中最为关注的主题之一，而建立时间和保持时间又是两个非常重要的基本概念。在进一步分析setup和hold问题前，我们先来简单介绍下为什么会有建立时间setup和保持时间hold要求。

1、D触发器结构

要知道为什么会有setup、hold要求，首先要清楚D触发器的结构。D触发器可以由静态逻辑实现，也可以由动态逻辑实现，这里仅讨论静态CMOS D触发器。构成一个D触发器最普遍方法是采用主从结构。如下图所示，上升沿触发的主从结构D触发器由一个负latch（主级）和正latch（从级）串联而成，latch则可以采用传输门构成的多路开关MUX来实现。

图2 由传输门构成的主从结构D触发器（图1latch中的MUX通过传输门逻辑实现）

2、为什么有建立时间（setup time）要求？

首先明确建立时间的概念：输入数据D在时钟上升沿之前必须保持稳定的最短时间。假设上图中反相器的延时都是t_inv，传输门的延时都是t_tx。对于传输门型的主从边沿触发器，输入数据在时钟上升沿到来之前必须依次传播通过I₁，T₁，I₃，I₂，这才能保证当时钟上升沿到来导致T₂打开时，其两端的电压是相等的，否则交叉耦合反相器就会停留在一个不正确的值。
因此该结构的建立时间为：

T_setup=3*t_inv+t_tx

3、为什么有保持时间（hold time）要求？

首先明确保持时间的概念：输入数据D在时钟上升沿之后必须保持稳定的最短时间。保持时间其实是为了保证在时钟上升沿之后，D端的数据不能影响触发器在该上升沿采集的数据。我们都知道，时钟上升沿之后，主latch将处于锁存状态，也就是D数据是无法传输到主latch中的，那为什么还有这样一个保持时间要求呢？

仔细观察上图结构，D端数据不再影响主latch中数据的条件是当时钟上升沿到来时，传输门T₁关断。但是注意，由于从D触发器的D pin和CLK pin到传输门T₁的延时是不同的，且传输门的关断需要时间，因此在CLK信号到达传输门T₁控制端并且完成关断动作之前，传输门T₁前的数据端必须保持不变（注意不是D pin端数据），由此即可计算出保持时间要求。

假设传输门的关断不需要时间，而CLK net上的反相器和D net上的反相器延时相同，那么保持时间就为0。
如果CLK net的反相器延时为t_clkinv，D net的反相器延时为t_dinv，忽略传输门的关断时间，那么保持时间为：

T_hold=t_clkinv-t_dinv

4、建立时间、保持时间与什么因素有关?

（1）触发器本身的结构、工艺

（2）D、CLK信号的transition

（3）PVT
从上面的分析可以知道，建立时间、保持时间的大小本质上跟内部反相器和传输门的延时有关，凡是会影响门延时的因素都能影响建立时间和保持时间。比如，D、CLK信号transition的不同会导致D net和CLK net上的反相器延时不同，进而影响hold；而如果触发器本身采用LVT单元实现，那么速度更快，setup也就更小。