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简单来说，因为flip-flop 端口到 gate 有一段delay，如果clock 那段delay明显要大，setup就可能是负值了；如果flip-flop端口gata那段delay明显太大，hold就可能取负值了。在我看来，二者的作用都是用来微调数据和时钟经过filp-flop传输时的同异步问题，避免数据和时钟发生大的出入从而无法正常经过过Flip-flop传输信号。
如下所示Edge-Triggered（rise）D Flip-flop ，在针对单个Flip-flop而言,建立时间Tsu一般对应G1和G2与非门的延迟，保持时间Thold一般对应G3和G4的延迟。图1中，CLK从0至1，D从d1到d2，必须提前一个Tsu使G1/G2 输出端转变成d2。图2中，CLK保持1，D 从d2到d3，必须推迟一个Thold使G3/G4输出端已经为d2。对应Timing Library中setup和hold time应该是指，如图1 ，CLK到G3/G4的Delay太大，为了保证数据能“按时”到达G3/G4输入端使信号D正常输入，所以setup time取负值;如图2，D到G2的Delay太大，D到G1/G2 与非门的delay太大，可能会影响数据传输速率等因素，则hold 取负值。
1.边沿D触发器（上升沿）与其setup time和hold time原理
当CLK=0时，与非门G3和G4的输出均为1，输出的1反馈到G1和G2作为输入，导致G1和G2的输出分别为D和/D，输出的D和/D又反馈到G3和G4；而G5和G6在此期间一直锁存着之前的数据， 不受输入影响。
2，当CLK=1时，与非门G3和G4的输出变为/D和D，输出到G5和G6作为输入，根据锁存器的原理，G5和G6最终会稳定的输出Q和/Q
再考虑与非门的延时。
设G2和G1 的延迟为T1，当CLK=0时，如果D在时钟跳变前的T（T<T1）时间才从d1更新为d2，那么G1和G2在时钟跳变时刻的输出值肯定是d1和/d1，而不是d2和/d2，进而影响到G3和G4的输出。如果要使得G1和G2的输出为d2和/d2，就必须要求D起码在时钟跳变之前的T1时间内维持d2稳定不变。这个T1就是建立时间Tsu。这个还可以理解。
当CLK=1时，G3和G4的延迟为T2，当CLK=1时，如果D在时钟跳变之后的T（T<T2）时间从d2更新为d3，由于G3和G4的输入在T的时间内还保持为1，所以D的更新会影响G2和G1的输出，进而影响G3和G4的输出，进而影响G5和G6的输出，造成输出Q和/Q发生震荡或者亚稳态。T2为保持时间Thold。
2.Setup和Hold为负值的原理
由上面的的原理可看出：Tsu和Thold根本不能为负值。TLF文件中setup time和hold time应该取的是一个同步传输时序电路的参考时间段，以使数据通路和时钟通路在穿越Flip-flop时不会出现异步现象从而导致数据传输出现震荡或者亚稳态。
图1中，CLK从0至1，D从d1到d2，必须提前一个Tsu使G1/G2 输出端转变成d2。图2中，CLK保持1，D 从d2到d3，必须推迟一个Thold使G3/G4输出端已经为d2。对应Timing Library中setup和hold time应该是指，如图1 ，CLK到G3/G4的Delay太大，为了保证数据能“按时”到达G3/G4输入端使信号D正常输入，所以setup time取负值;如图2，D到G2的Delay太大，D到G1/G2 与非门的delay太大，可能会影响数据传输速率等因素，则hold 取负值。
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原文地址：http://www.cnblogs.com/kylechiang/p/4773215.html
