基于Hyperlynx的DDR2嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

 摘  要： 介紹了DDR2嵌入式系統(tǒng)的仿真模型以及Hyperlyxn仿真工具，并基于Hyperlyxn仿真工具對(duì)IBIS模型進(jìn)行仿真分析，給出了一個(gè)具體的DDR2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和方法。

　　現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)和芯片制造技術(shù)正在飛速發(fā)展，電路的復(fù)雜度、元器件布局以及布線密度、開關(guān)速度、時(shí)鐘和總線頻率等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)都呈快速上升趨勢(shì)。當(dāng)上升時(shí)間超過傳輸延時(shí)的1/6時(shí)，反射、串?dāng)_、振蕩以及傳輸線效應(yīng)等涉及到的時(shí)序、信號(hào)完整性(SI)、EMI等一系列問題決定著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗。特別是DDR2系統(tǒng)，可支持高達(dá)9.6 GB/s的帶寬(FB-DIMMs)，時(shí)鐘頻率高達(dá)0.9 GHz，高速DDR2系統(tǒng)的信號(hào)完整性和時(shí)序問題，己經(jīng)成為設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素之一。因此，在印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)完成之前，運(yùn)用仿真工具對(duì)PCB進(jìn)行板級(jí)的信號(hào)完整性仿真和時(shí)序分析，進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)試過程中可能產(chǎn)生的問題，從而可節(jié)約成本、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

　　1 模型的選取

　　在基于計(jì)算機(jī)分析信號(hào)完整性和時(shí)序分析的過程中，建立實(shí)際驅(qū)動(dòng)IC的模型十分關(guān)鍵。目前主要有三種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型:SPICE模型、IBIS模型和AMS模型。

　　IBIS模型由于采用IN和V/T表的形式來描述I/O單元和引腳的特性，不但方便易得，而且不依賴于不同的仿真工具，計(jì)算量較小。

　　SPICE模型需要IC廠商提供詳細(xì)、準(zhǔn)確描述I/O單元的內(nèi)部設(shè)計(jì)和晶體管制造參數(shù)這些涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)密數(shù)據(jù)，所以SPICE模型不易獲取。其分析精度主要取決于模型參數(shù)的來源(即數(shù)據(jù)的精確性)以及模型方程式的適用范圍。使用不同仿真工具進(jìn)行SPICE模型仿真時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的分析精度。

　　AMS建模語言與IBIS模型同樣也是數(shù)據(jù)形式來描述IC的特性，可以應(yīng)用在多種不同類型的仿真工具中。AMS模型在PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析中的可行性和計(jì)算精度毫不遜色于SPICE和IBIS模型，但目前支持的仿真工具還不是很多。

　　綜合比較上述三種模型，由于IBIS模型的方便、快捷、具有必要的精確度以及精度不依賴于仿真工具的優(yōu)點(diǎn)，本文選取IBIS模型進(jìn)行仿真。

　　2 仿真工具的選取

　　Mentor公司推出的仿真工具其功能十分強(qiáng)大，Hyperlynx可進(jìn)行多電路板分析，包括趨膚效應(yīng)、電介質(zhì)損耗效應(yīng)、損耗傳輸線效應(yīng)的精確模擬，具有數(shù)千兆位信號(hào)的內(nèi)部符號(hào)干擾圖表分析功能；可為多位激勵(lì)源、抖動(dòng)、眼圖和眼罩定義區(qū)域；可以建立隨頻率變化的過孔模型而進(jìn)行分析；進(jìn)行差分信號(hào)模擬和分析來對(duì)包括差分阻抗和不同終端負(fù)載的優(yōu)化；Terminator Wizard能夠分析并計(jì)算出使用包括串聯(lián)終端、并聯(lián)、并聯(lián)交流電和差分最佳的終端方案；通過輻射法和傳輸線電流分析來發(fā)現(xiàn)EMC故障問題；支持所有的PCB布線和布局程序。

　　Hyperlynx還可方便地采用IBIS或HSPICE模型進(jìn)行仿真，自帶7 000個(gè)通用IC模型庫(kù)，或根據(jù)數(shù)據(jù)簿信息運(yùn)用可視化IBIS編輯器允許測(cè)試和編輯IBIS模式來創(chuàng)建用戶的模型。Hyperlynx還具有界面友好、方便易用的優(yōu)點(diǎn)。綜合Hyperlynx的優(yōu)點(diǎn)，本文選取Hyperlynx進(jìn)行仿真分析。

　　3 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　下面給出應(yīng)用Hyperlynx7.7前仿真工具Linesim和級(jí)仿真工具Boardsim利用IBIS模型對(duì)基于MIPS架構(gòu)的XLS606 CPU的信號(hào)線進(jìn)行分析。

　　CPU的最大外頻為1 GHz，內(nèi)存選用Micron公司的DDR2-800，信號(hào)線走中間層，參考上下兩層地，因?yàn)樾盘?hào)工作頻率達(dá)到400 MHz，故布線密度大，很容易出現(xiàn)信號(hào)完整性問題。

　　布線前仿真可以根據(jù)PCB對(duì)信號(hào)完整性的要求，幫助設(shè)計(jì)者合理布置元器件、規(guī)劃系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)以及確定關(guān)鍵線網(wǎng)的端接策略。在布線過程中跟蹤設(shè)計(jì)，隨時(shí)反饋布線效果，確定PCB布線的約束規(guī)則，如參數(shù)設(shè)置和布線約束等(這里不詳細(xì)敘述)。

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　　在運(yùn)用CAD設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)得出具有關(guān)鍵元件布局和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的走線的基本元素的PCB后，綜合考慮如電氣、電磁兼容性(EMC)等因素對(duì)信號(hào)完整性(SI)的影響以及這些因素之間的相互作用，從而進(jìn)行Boardsim布線后的仿真分析與驗(yàn)證。下面選取一些重要的DQ、DQS、MA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。在進(jìn)行完整PCB的布線后，可以通過Boardsim導(dǎo)入PCB文件。圖1為地址/控制線在Boardsim中的顯示圖，圖2為差分對(duì)DQS在Boardsim中的顯示圖。

　　在相關(guān)網(wǎng)站上下載該處理器和該型號(hào)內(nèi)存的IBIS模型。根據(jù)JESD79-2C DDR2 SDRAM SPECIFICATION的說明要求，可以知道地址/命令/控制信號(hào)以及DQS差分對(duì)或時(shí)鐘信號(hào)的DC和AC工作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DDR2-800要求如表1所示。根據(jù)上述指標(biāo)可以得出眼圖的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置疊層編輯器來設(shè)置特性阻抗值，導(dǎo)入CPU以及存儲(chǔ)器的IBIS模型，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中上拉電阻以及濾波電容的實(shí)際值，可以讀出有效特性阻抗值Z0=54.3 Ω，以及每位周期的值。因?yàn)樾盘?hào)頻率為400 MHz，所以每位周期設(shè)置為1.25 ns。

　　從圖3眼圖可以看出，信號(hào)在不同DIMM內(nèi)部和外部的信號(hào)質(zhì)量是不同的，在沒有端接電阻以及布線、阻抗調(diào)整的情況下，運(yùn)行400 MHz的頻率信號(hào)十分差，眼圖的寬度、高度、上升斜率等關(guān)鍵指標(biāo)都不符合JEDEC對(duì)DDR2-800的DC/AC規(guī)范。

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　　圖4為修改Layout布線和端接電阻以及阻抗值等設(shè)計(jì)后的仿真眼圖，從圖4可以明顯直觀地看到，修改之后信號(hào)狀況大大改觀，而且可以直接讀出眼寬、高電平值、低電平值、采樣眼寬等信號(hào)眼圖的重要數(shù)據(jù)，以便于確定硬件和PCB設(shè)計(jì)。

　　同理，可以對(duì)重要的差分信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行仿真。而DDR2中新增加的ODT(On Die Termintation)功能在仿真中可以得到體現(xiàn)。通過不設(shè)置以及設(shè)置ODT的值，可以直觀地在眼圖以及客觀地在仿真結(jié)果數(shù)據(jù)一欄中得出合成差分信號(hào)的質(zhì)量。圖5為差分信號(hào)的仿真結(jié)果眼圖。

　　通過眼圖和數(shù)據(jù)，可以確定最優(yōu)差分阻抗和ODT值的設(shè)置。

　　高速信號(hào)的PCB優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在PCB的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用Hyperlyxn仿真工具和IBIS驅(qū)動(dòng)模型，對(duì)高速信號(hào)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行完整性仿真和時(shí)序分析、EMI仿真、分析和優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)PCB制好后調(diào)試中可能出現(xiàn)的問題，從而可以節(jié)約成本、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。