（文章來源：百家號）

時鐘是FPGA設計中最重要的信號，FPGA系統內大部分器件的動作都是在時鐘的上升沿或者下降沿進行。無論是在輸入，輸出或是寄存器與寄存器之間，只要設計到時鐘上升沿或者下降沿的采樣，就會提到建立時間（setup time） 和保持時間（hold time） 。

建立時間（Tsu：set up time）是指在時鐘沿到來之前數據從不穩定到穩定所需的時間，如果建立的時間不滿足要求那么數據將不能在這個時鐘上升沿被穩定的打入觸發器；保持時間（Th：hold time）是指數據穩定后保持的時間，如果保持時間不滿足要求那么數據同樣也不能被穩定的打入觸發器。建立時間和保持時間這兩個指標說明器件本身不是理想的（有時延等），正是這個不理想的特性，限制了FPGA的時鐘工作頻率。

首先我們都知道setup time 和holdup time是由器件決定的，并不是說可以隨著你FPGA設計的改變而改變。那么FPGA時鐘頻率是怎么計算的呢，在不考慮時鐘延時抖動等條件下，一個信號從觸發器的D端到Q端的延時假設是Tcd，從Q端出來之后會經過組合電路延時，這里注意即使沒有組合電路，就單單經過導線也是有延時的，這個延時稱作Tdelay，經過這個延時之后，信號將要去下一個觸發器，而且必須要滿足觸發器的建立時間tsetup，不然時鐘無法采樣到穩定的數據。所以這三個時間加起來應該比時鐘周期要小，否則數據無法打入下一個觸發器，那就會進入亞穩態。

至于FPGA時鐘頻率與holdup time的關系，具體做設計的時候還是需要滿足Tcd+Tdelay+TsetupTholdup，也就是說Tholdup 決定了最短路徑的下限，也就是說組合邏輯是不能太大也不能太小的。這就是hold time 能起作用的地方吧。其實一般都能滿足保持時間，一般只要考慮都是要滿足建立時間。

建立時間與保持時間的簡單示意圖如下圖1所示，在圖1中我們看到clk_r3的前后各有一條虛線，前一條虛線（最左邊的虛線，左邊代表出現時間早，與modelsim仿真時信號依次從左往右出現）到clk_r3上升沿的這段時間即為建立時間，clk_r3上升沿到后一條虛線（最右邊的虛線）的這段時間即為保持時間。前面對建立時間和保持時間下定義時提到過，在這段時間內不能夠有數據的變化，數據必須保持穩定。而在這個波形中，也確實沒有看到在建立時間和保持時間內，reg3in的數據有任何的變化，因此我們可以穩定的將reg3in的數據鎖存到reg3的輸出reg3out中。

如下圖2所示的波形，同樣的一些信號，但我們發現reg3in在clk_r3的建立時間內發生了變化，這帶來的后果就是clk_r3上升沿鎖存到的reg3in數據不確定，那么隨后的reg3out值也會處于一個不確定狀態。比如第一個時鐘周期，原本reg3in應該是穩定的低電平，但是由于整個路徑上的延時時間（Tcd+Tdelay）過長，導致了reg3in在clk_r3的建立時間內數據還未能穩定下來，在建立時間內信號出現了電平從高到低的變化，即不穩定的狀態，那么導致的后果就是reg3out的最終輸出不是確定的狀態，很可能是忽高忽低的亞穩態，而不是原本期望的低電平。