高速PCB設(shè)計(jì)中的時(shí)序分析及仿真策略解析

在網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域，ATM交換機(jī)、核心路由器、千兆以太網(wǎng)以及各種網(wǎng)關(guān)設(shè)備中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、時(shí)鐘速率不斷提高，相應(yīng)處理器的工作頻率也越來(lái)越高;數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像的傳輸速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于500Mbps，數(shù)百兆乃至數(shù)吉的背板也越來(lái)越普遍。數(shù)字系統(tǒng)速度的提高意味著信號(hào)的升降時(shí)間盡可能短，由數(shù)字信號(hào)頻率和邊沿速率提高而產(chǎn)生的一系列高速設(shè)計(jì)問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。當(dāng)信號(hào)的互連延遲大于邊沿信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的20%時(shí)，板上的信號(hào)導(dǎo)線就會(huì)呈現(xiàn)出傳輸線效應(yīng)，這樣的設(shè)計(jì)就成為高速設(shè)計(jì)。高速問(wèn)題的出現(xiàn)給硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，有許多從邏輯角度看來(lái)正確的設(shè)計(jì)，如果在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)失敗，這種情形在日益追求高速的網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域更加明顯。專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)的硬件電路設(shè)計(jì)開(kāi)銷方面，邏輯功能設(shè)計(jì)的開(kāi)銷將大為縮減，而與高速設(shè)計(jì)相關(guān)的開(kāi)銷將占總開(kāi)銷的80%甚至更多。高速問(wèn)題已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的重要因素之一。

因高速問(wèn)題產(chǎn)生的信號(hào)過(guò)沖、下沖、反射、振鈴、串?dāng)_等將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常時(shí)序，系統(tǒng)時(shí)序余量的減少迫使人們關(guān)注影響數(shù)字波形時(shí)序和質(zhì)量的各種現(xiàn)象。由于速度的提高使時(shí)序變得苛刻時(shí)，無(wú)論事先對(duì)系統(tǒng)原理理解得多么透徹，任何忽略和簡(jiǎn)化都可能給系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。在高速設(shè)計(jì)中，時(shí)序問(wèn)題的影響更為關(guān)鍵，本文將專門討論高速設(shè)計(jì)中的時(shí)序分析及其仿真策略。

1 公共時(shí)鐘同步的時(shí)序分析及仿真

在高速數(shù)字電路中，數(shù)據(jù)的傳輸一般都通過(guò)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行有序的收發(fā)控制。芯片只能按規(guī)定的時(shí)序發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，過(guò)長(zhǎng)的信號(hào)延遲或信號(hào)延時(shí)匹配不當(dāng)都可能導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序的違背和功能混亂。在低速系統(tǒng)中，互連延遲和振鈴等現(xiàn)象都可忽略不計(jì)，因?yàn)樵谶@種低速系統(tǒng)中信號(hào)有足夠的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但在高速系統(tǒng)中，邊沿速率加快、系統(tǒng)時(shí)鐘速率上升，信號(hào)在器件之間的傳輸時(shí)間以及同步準(zhǔn)備時(shí)間都縮短，傳輸線上的等效電容、電感也會(huì)對(duì)信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)生延遲和畸變，再加上信號(hào)延時(shí)不匹配等因素，都會(huì)影響芯片的建立和保持時(shí)間，導(dǎo)致芯片無(wú)法正確收發(fā)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

所謂公共時(shí)鐘同步，是指在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，總線上的驅(qū)動(dòng)端和接收端共享同一個(gè)時(shí)鐘源，在同一個(gè)時(shí)鐘緩沖器(CLOCK BUFFER)發(fā)出同相時(shí)鐘的作用下，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。圖1所示為一個(gè)典型的公共時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)收發(fā)工作示意圖。圖1中，晶振CRYSTAL產(chǎn)生輸出信號(hào)CLK_IN到達(dá)時(shí)鐘分配器CLOCK BUFFER，經(jīng)CLOCK BUFFER分配緩沖后發(fā)出兩路同相時(shí)鐘，一路是CLKB，用于DRIVER的數(shù)據(jù)輸出;另一路是CLKA，用于采樣鎖存由DRIVER發(fā)往RECEIVER的數(shù)據(jù)。時(shí)鐘CLKB經(jīng)Tflt_CLKB一段飛行時(shí)間(FLIGHT TIME)后到達(dá)DRIVER，DRIVER內(nèi)部數(shù)據(jù)由CLKB鎖存經(jīng)過(guò)TCO_DATA時(shí)間后出現(xiàn)在DRIVER的輸出端口上，輸出的數(shù)據(jù)然后再經(jīng)過(guò)一段飛行時(shí)間Tflt_DATA到達(dá)RECEIVER的輸入端口;在RECEIVER的輸入端口上，利用CLOCK BUFFER產(chǎn)生的另一個(gè)時(shí)鐘CLKA(經(jīng)過(guò)的延時(shí)就是CLKA時(shí)鐘飛行時(shí)間，即Tflt_CLKA)采樣鎖存這批來(lái)自DRIVER的數(shù)據(jù)，從而完成COMMON CLOCK一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。

圖1%20數(shù)據(jù)由DRIVER發(fā)向RECEIVER的公共時(shí)鐘同步工作示意圖

以上過(guò)程表明，到達(dá)RECEIVER的數(shù)據(jù)是利用時(shí)鐘下一個(gè)周期的上升沿采樣的，據(jù)此可得到數(shù)據(jù)傳送所應(yīng)滿足的兩個(gè)必要條件：①RECEIVER輸入端的數(shù)據(jù)一般都有所要求的建立時(shí)間Tsetup，它表示數(shù)據(jù)有效必須先于時(shí)鐘有效的最小時(shí)間值，數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)輸入端的時(shí)間應(yīng)該足夠早于時(shí)鐘信號(hào)，由此可得出建立時(shí)間所滿足的不等式;②為了成功地將數(shù)據(jù)鎖存到器件內(nèi)部，數(shù)據(jù)信號(hào)必須在接收芯片的輸入端保持足夠長(zhǎng)時(shí)間有效以確保信號(hào)正確無(wú)誤地被時(shí)鐘采樣鎖存，這段時(shí)間稱為保持時(shí)間，CLKA的延時(shí)必須小于數(shù)據(jù)的無(wú)效時(shí)間(INVALID)，由此可得出保持時(shí)間所滿足的不等式。

1.1%20數(shù)據(jù)建立時(shí)間的時(shí)序分析

由第一個(gè)條件可知，數(shù)據(jù)信號(hào)必須先于時(shí)鐘CLKA到達(dá)接收端，才能正確地鎖存數(shù)據(jù)。在公共時(shí)鐘總線中，第一個(gè)時(shí)鐘周期的作用是將數(shù)據(jù)鎖存到DRIVER的輸出端，第二個(gè)時(shí)鐘周期則將數(shù)據(jù)鎖存到RECEIVER的內(nèi)部，這意味著數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)RECEIVER輸入端的時(shí)間應(yīng)該足夠早于時(shí)鐘信號(hào)CLKA。為了滿足這一條件，必須確定時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)RECEIVER的延時(shí)并保證滿足接收端建立時(shí)間的要求，任何比需要的建立時(shí)間多出來(lái)的時(shí)間量即為建立時(shí)間時(shí)序余量Tmargin。在圖1的時(shí)序圖中，所有箭頭線路表示數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)在芯片內(nèi)部或傳輸線上產(chǎn)生的延時(shí)，在下面的箭頭線路表示從第一個(gè)時(shí)鐘邊沿有效至數(shù)據(jù)到達(dá)RECEIVER輸入端的總延時(shí)，在上面的箭頭線路表示接收時(shí)鐘CLKA的總延時(shí)。從第一個(gè)時(shí)鐘邊沿有效至數(shù)據(jù)到達(dá)RECEIVER輸入端的總延時(shí)為：

TDATA_DELAY=TCO_CLKB+Tflt_CLKB+TCO_DATA+Tflt_DATA

接收時(shí)鐘CLKA下一個(gè)周期的總延時(shí)為：

TCLKA_DELAY=TCYCLE+TCO_CLKA+Tflt_CLKA

要滿足數(shù)據(jù)的建立時(shí)間則必須有：

TCLKA_DELAY_MIN-TDATA_DELAY_MAX-Tsetup-Tmargin>0

展開(kāi)并考慮時(shí)鐘的抖動(dòng)Tjitter等因素整理后得到：

TCYCLE+(TCO_CLKA_MIN-TCO_CLKB_MAX)+%20(Tflt_CLKA_MIN-Tflt_CLKB_MAX)-TCO_DATA_MAX-Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX-Tjitter-Tsetup-Tmargin>0%20(1)

式(1)中TCYCLE為時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期;第一個(gè)括號(hào)內(nèi)是時(shí)鐘芯片CLOCK%20BUFFER輸出時(shí)鐘CLKA、CLKB之間的最大相位差，即手冊(cè)上稱的OUTPUT-output%20skew;第二個(gè)括號(hào)內(nèi)則是CLOCK%20BUFFER芯片輸出的兩個(gè)時(shí)鐘CLKA、CLKB分別到達(dá)RECEIVER和DRIVER的最大延時(shí)差。式(1)中TCO_DATA是指在一定的測(cè)試負(fù)載和測(cè)試條件下，從時(shí)鐘觸發(fā)開(kāi)始到數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出端口并到達(dá)測(cè)試電壓Vmeas(或VREF)閾值的時(shí)間間隔，TCO_DATA的大小與芯片內(nèi)部邏輯延時(shí)、緩沖器OUTPUT%20BUFFER特性、輸出負(fù)載情況都有直接關(guān)系，TCO可在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中查得。

由公式(1)可知，可調(diào)部分實(shí)際只有兩項(xiàng)：Tflt_CLKB_MIN-Tflt_CLKB_MAX和Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX。單從滿足建立時(shí)間而言，Tflt_CLKA_MIN應(yīng)盡可能大，而Tflt_CLKB_MAX和Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX則要盡可能小。實(shí)質(zhì)上，就是要求接收時(shí)鐘來(lái)得晚一點(diǎn)，數(shù)據(jù)來(lái)得早一點(diǎn)。

1.2%20數(shù)據(jù)保持時(shí)間的時(shí)序分析

為了成功地將數(shù)據(jù)鎖存到器件內(nèi)部，數(shù)據(jù)信號(hào)必須在接收芯片的輸入端保持足夠長(zhǎng)時(shí)間有效以確保信號(hào)正確無(wú)誤地被時(shí)鐘采樣鎖存，這段時(shí)間稱為保持時(shí)間。在公共時(shí)鐘總線中，接收端緩沖器利用第二個(gè)時(shí)鐘邊沿鎖存數(shù)據(jù)，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)端把下一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)發(fā)送端。因此為了滿足接收端保持時(shí)間，必須保證有效數(shù)據(jù)在下一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)之前鎖存到接收端觸發(fā)器中，這就要求接收時(shí)鐘CLKA的延時(shí)要小于接收數(shù)據(jù)信號(hào)的延時(shí)。

TCLKA_DELAY=TCO_CLKA+Tflt_CLKA

而數(shù)據(jù)延時(shí)：

TDATA_DELAY=TCO_CLKB+Tflt_CLKB+TCO_DATA+Tflt_DATA_SWITCH_DELAY

若要滿足數(shù)據(jù)的保持時(shí)間，則必須有：

TDATA_DELAY_MIN-TCLKA_DELAY_MAX-Thold-Tmargin>0

展開(kāi)、整理并考慮時(shí)鐘抖動(dòng)Tjitter等因素，可得如下關(guān)系：

(TCO_CLKB_MIN-TCO_CLKA_MAX)+(Tflt_CLKB_MIN-Tflt_CLKA_MAX)+TCO_DATA_MIN+Tflt_DATA_SWITCH_DELAY_MIN-Thold-Tmargin-Tjitter>0%20(2)

式(2)中，第一個(gè)括號(hào)內(nèi)仍然是時(shí)鐘芯片CLOCK%20BUFFER輸出時(shí)鐘之間的最大相位差;第二個(gè)括號(hào)內(nèi)繼續(xù)可以理解為時(shí)鐘芯片輸出的兩個(gè)時(shí)鐘CLKA、CLKB分別到達(dá)RECEIVER和DRIVER的最大延時(shí)差;要滿足數(shù)據(jù)的保持時(shí)間，實(shí)際可調(diào)整的部分也只有兩項(xiàng)，即Tflt_CLKB_MIN-Tflt_CLKA_MAX和Tflt_DATA_SWITCH_DELAY_MIN。單從滿足保持時(shí)間的角度而言，Tflt_CLKB_MIN和Tflt_DATA_SWITCH_DELAY_MIN應(yīng)盡可能大，而Tflt_CLKA_MAX則要盡可能小。也就是說(shuō)，若欲滿足保持時(shí)間，就要使接收時(shí)鐘早點(diǎn)來(lái)，而數(shù)據(jù)則要晚點(diǎn)無(wú)效(invalid)。

為了正確無(wú)誤地接收數(shù)據(jù)，必須綜合考慮數(shù)據(jù)的建立時(shí)間和保持時(shí)間，即同時(shí)滿足(1)式和(2)式。分析這兩個(gè)不等式可以看出，調(diào)整的途徑只有三個(gè)：發(fā)送時(shí)鐘延時(shí)、接收時(shí)鐘延時(shí)和數(shù)據(jù)的延時(shí)。調(diào)整方案可這樣進(jìn)行：首先假定發(fā)送時(shí)鐘延時(shí)嚴(yán)格等于接收時(shí)鐘延時(shí)，即?Tflt_CLKA_MIN-Tflt_CLKB_MAX　=0和?Tflt_CLKB_MIN-Tflt_CLKA_MAX　=0(后文將對(duì)這兩個(gè)等式的假設(shè)產(chǎn)生的時(shí)序偏差進(jìn)行考慮)，然后通過(guò)仿真可以得出數(shù)據(jù)的延時(shí)范圍，如果數(shù)據(jù)延時(shí)無(wú)解則返回上述兩個(gè)等式，調(diào)整發(fā)送時(shí)鐘延時(shí)或接收時(shí)鐘延時(shí)。下面是寬帶網(wǎng)交換機(jī)中GLINK總線公共時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)收發(fā)的例子：首先假定發(fā)送時(shí)鐘延時(shí)嚴(yán)格等于接收時(shí)鐘延時(shí)，然后確定數(shù)據(jù)的延時(shí)范圍，代入各參數(shù)，(1)和(2)式分別變?yōu)椋?/P>

1.5-Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX-Tmargin>0

0.5+Tflt_DATA_SWITCH_DELAY_MIN-Tmargin>0

在不等式提示下，結(jié)合PCB布局實(shí)際，確定Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX<1.1;tflt_data_switch_delay_min>-0.1，剩下0.4ns的余量分配給了兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)差和Tmargin。在SPECCTRAQUEST中提取拓?fù)洳⑦M(jìn)行信號(hào)完整性仿真，進(jìn)而確定各段線長(zhǎng)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)此結(jié)構(gòu)(共12種組合)進(jìn)行全掃描仿真，得到?Tflt_DATA_SETTLE_DELAY_MAX=1.0825?%20Tflt_DATA_SWITCH_DELAY_MIN%20=-0.0835004，符合確定的1.1和-0.1的范圍指標(biāo)。由此可以得出GLINK總線數(shù)據(jù)線的約束規(guī)則：①匹配電阻到發(fā)送端的延時(shí)不應(yīng)大于0.1ns;②數(shù)據(jù)線必須以0.1ns進(jìn)行匹配，即每個(gè)數(shù)據(jù)線都必須在0.65ns～0.75ns之間。有了上述的約束規(guī)則就可以指導(dǎo)布線了。

下面再考慮硬性規(guī)定%20Tflt_CLKA_MIN-Tflt_CLKB_MAX=0和Tflt_CLKB_MIN-Tflt_CLKA_MAX=0帶來(lái)的影響。事先約束發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘完全等長(zhǎng)(在實(shí)際操作中以0.02ns進(jìn)行匹配)?在CADENCE環(huán)境下，進(jìn)行時(shí)鐘仿真，得到結(jié)果：|Tflt_CLKA_MIN-Tflt_CLKB_MAX|<0.2和|tflt_clkb_min-tflt_clka_max|<0.2?？梢?jiàn)留給tmargin的余量為0.2ns。

最終的仿真結(jié)果是：①%20匹配電阻到發(fā)送端的延時(shí)不應(yīng)大于0.1ns;②數(shù)據(jù)線以0.1ns進(jìn)行匹配，即每個(gè)數(shù)據(jù)線都必須在0.65ns～0.75ns之間;③發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘以0.02ns匹配等長(zhǎng);④Tmargin=0.2ns。有了上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樣板和約束規(guī)則就可以將SPECCTRAQUEST或ALLEGRO導(dǎo)入到CONSTRAINS%20MANAGER中。當(dāng)這些設(shè)計(jì)約束規(guī)則設(shè)置好后，就可以利用自動(dòng)布線器進(jìn)行規(guī)則驅(qū)動(dòng)自動(dòng)布線或人工調(diào)線。

2%20源同步時(shí)序關(guān)系及仿真實(shí)例

所謂源同步就是指時(shí)鐘選通信號(hào)CLK由驅(qū)動(dòng)芯片伴隨發(fā)送數(shù)據(jù)一起發(fā)送，它并不象公共時(shí)鐘同步那樣采用獨(dú)立的時(shí)鐘源。在源同步數(shù)據(jù)收發(fā)中，數(shù)據(jù)首先發(fā)向接收端，經(jīng)稍短時(shí)間選通時(shí)鐘再發(fā)向接收端用于采樣鎖存這批數(shù)據(jù)。其示意圖如圖2所示。源同步的時(shí)序分析較公共時(shí)鐘同步較為簡(jiǎn)單，分析方法很類似，下面直接給出分析公式：

建立時(shí)間：Tvb_min+(Tflt_clk_min-Tflt_data_settle_delay_max)-Tsetup-Tmargin>0

保持時(shí)間：Tva_min+(Tflt_data_switch_delay min-Tflt_clk _max)-Thold-Tmargin>0

其中，Tvb為驅(qū)動(dòng)端的建立時(shí)間，表示驅(qū)動(dòng)端數(shù)據(jù)在時(shí)鐘有效前多少時(shí)間有效;Tva為發(fā)送端的保持時(shí)間，表示驅(qū)動(dòng)端數(shù)據(jù)在時(shí)鐘有效后保持有效的時(shí)間;其他參量含義同前。下面以通信電路中很常見(jiàn)的TBI接口為例介紹源同步時(shí)序分析及仿真過(guò)程。TBI接口主要包括發(fā)送時(shí)鐘和10bit的發(fā)送數(shù)據(jù)、兩個(gè)接收時(shí)鐘和10bit接收數(shù)據(jù)。RBC0、RBC1為兩個(gè)接收時(shí)鐘，在千兆以太網(wǎng)中，這兩個(gè)時(shí)鐘頻率為62.5MHz，相差為180°，兩個(gè)時(shí)鐘的上升沿輪流用于鎖存數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)序參數(shù)，代入上式可得：

2.5+?Tflt_clk _min-Tflt_data__settle_delay_max　-1-Tmargin>0

1.5+?Tflt_data__switch_delay min-Tflt_clk _max　-0.5-Tmargin>0

仿照前述分析方法：假設(shè)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)信號(hào)線的飛行時(shí)間嚴(yán)格相等，即時(shí)鐘和數(shù)據(jù)完全匹配，然后分析它們不匹配帶來(lái)的影響。上式變?yōu)?

1.5-Tmargin>0

1-Tmargin>0

可見(jiàn)，無(wú)論是建立時(shí)間還是保持時(shí)間都有很大的余量。經(jīng)過(guò)仿真，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘完全匹配等長(zhǎng)(以0.02ns匹配為例)，仍有0.3ns的差別，即

?Tflt_clk_min-Tflt_data_settle_delay_max<0.3

?Tflt_data_switch_delay min-Tflt_clk_max<0.3

取Tmargin=0.5ns得到時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的匹配為0.2ns，即數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的長(zhǎng)度匹配不應(yīng)超過(guò)0.2ns。

（a）無(wú)匹配電阻時(shí)鐘線（125MHZ）（b）加源端串聯(lián)匹配電阻

圖3 仿真波形

在實(shí)際仿真中首先就時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的信號(hào)完整性進(jìn)行分析仿真，通過(guò)適當(dāng)?shù)亩私悠ヅ涞玫捷^好的接收波形。圖3是一組無(wú)源端匹配和有源端匹配時(shí)鐘線的不同仿真波形比較，從中可以看出首先進(jìn)行信號(hào)完整性仿真的必要性。

在公共時(shí)鐘同步中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收必須在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。同時(shí)器件的延時(shí)和PCB走線的延遲也限制了公共時(shí)鐘總線的最高理論工作頻率。故公共時(shí)鐘同步一般用于低于200MHz～300MHz的傳輸速率，高于這個(gè)速率的傳輸，一般應(yīng)引入源同步技術(shù)。源同步技術(shù)工作在相對(duì)的時(shí)鐘系統(tǒng)下，采用數(shù)據(jù)和時(shí)鐘并行傳輸，傳輸速率主要由數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)間的時(shí)差決定，這樣可以使系統(tǒng)達(dá)到更高的傳輸速率。筆者通過(guò)對(duì)寬帶以太網(wǎng)交換機(jī)主機(jī)和子卡板進(jìn)行信號(hào)完整性分析、時(shí)序分析及其仿真，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，通過(guò)分析仿真有效地解決了高速設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的信號(hào)完整性、時(shí)序等方面的問(wèn)題，充分保證了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)速度，真正做到了PCB板的一次通過(guò)。主板和子卡板目前已經(jīng)通過(guò)調(diào)試，并順利轉(zhuǎn)產(chǎn)。