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1 滿(mǎn)足接收端芯片的建立，保持時(shí)間的必要性 在高速數字電路設計中，由于趨膚效應、臨近干擾、電流高速變化等因素，設計者不能單純地從數字電路的角度來(lái)審查自己的產(chǎn)品，而要把信號看作不穩定的模擬信號。采用頻譜分析儀對信號分析，可以發(fā)現，信號的高頻譜線(xiàn)主要來(lái)自于信號的變化沿而不是信號頻率。例如一個(gè)1MHz的信號，雖然時(shí)鐘周期為1微秒，但是如果其變化沿上升或下降時(shí)間為納秒級，則在頻譜儀上可以觀(guān)察到頻率高達數百兆赫茲的譜線(xiàn)。因此，電路設計者應該更加關(guān)注信號的邊沿，因為邊沿往往也就是信號頻譜最高、最容易受到干擾的地方。 在同步設計中，數據的讀取需要基于時(shí)鐘采樣，根據以上分析，為了得到穩定的數據，時(shí)鐘的采樣點(diǎn)應該遠離數據的變化沿。 圖1是利用時(shí)鐘CLK的上升沿采樣數據DATA的示例。DATA發(fā)生變化后，需要等待至少Setup時(shí)間(建立時(shí)間)才能被采樣，而采樣之后，至少Hold時(shí)間(保持時(shí)間)之內DATA不能發(fā)生變化。因此可以看出，器件的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求，正是為了保證時(shí)鐘的采樣點(diǎn)遠離數據的變化沿。如果在芯片的輸入端不能滿(mǎn)足這些要求，那么芯片內部的邏輯將處于非穩態(tài)，功能出現異常。 2 時(shí)序分析中的關(guān)鍵參數 為了進(jìn)行時(shí)序分析，需要從datasheet(芯片手冊)中提取以下關(guān)鍵參數： ● Freq：時(shí)鐘頻率，該參數取決于對芯片工作速率的要求�！ � ● Tcycle：時(shí)鐘周期，根據時(shí)鐘頻率Freq的倒數求得。Tcycle=1/Freq�！ � ● Tco：時(shí)鐘到數據輸出的延時(shí)。上文提到，輸入數據需要采用時(shí)鐘采樣，而輸出數據同樣也需要參考時(shí)鐘，不過(guò)一般而言，相比時(shí)鐘，輸出的數據需要在芯片內延遲一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就稱(chēng)為T(mén)co。該參數取決于芯片制造工藝�！ � ● Tsetup(min)：最小輸入建立時(shí)間要求�！ � ● Thold(min)：最小輸入保持時(shí)間要求。 除以上五個(gè)參數外，時(shí)序分析中還需要如下經(jīng)驗參數： ● Vsig：信號傳輸速度。信號在電路上傳輸，傳輸速度約為6英寸/納秒。 時(shí)序計算的目標是得到以下兩個(gè)參數之間的關(guān)系： ● Tflight-data：數據信號在電路板上的走線(xiàn)延時(shí)。 ● Tflight-clk：時(shí)鐘信號在電路板上的走線(xiàn)延時(shí)。 以上參數是進(jìn)行時(shí)序分析的關(guān)鍵參數，對于普通的時(shí)序分析已經(jīng)足夠。 3 源同步系統的時(shí)序計算 源同步系統指數據和時(shí)鐘是由同一個(gè)器件驅動(dòng)發(fā)出的情況，下圖是常見(jiàn)的源同步系統拓撲結構： 該系統的特點(diǎn)是，時(shí)鐘和數據均由發(fā)送端器件發(fā)出，在接收端，利用接收到的時(shí)鐘信號CLK采樣輸入數據信號DATA。 源同步系統的時(shí)序計算公式為： TCO(max) + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + Tsetup(min) CO(min) + (Tflight-data - Tflight-clk)MIN > Thold(min) (式2) 時(shí)序計算的最終目標是獲得Tflight-data - T flight-clk的允許區間，再基于該區間，通過(guò)Vsig參數，推算出時(shí)鐘信號和數據信號的走線(xiàn)長(cháng)度關(guān)系。 4 SPI4.2接口時(shí)序分析 SPI4.2(System Packet Interface Level4, Phase 2)接口是國際組織OIF制定的針對OC192(10Gbps)速率的接口。目前廣泛應用在高速芯片上，作為物理層芯片和鏈路層芯片之間的接口。SPI4.2的接口定義如下： SPI4.2接口信號按照收、發(fā)方向分為兩組，如圖3中，以T開(kāi)頭的發(fā)送信號組和以R開(kāi)頭的接收信號組。每組又分為兩類(lèi)，以發(fā)送信號組為例，有數據類(lèi)和狀態(tài)類(lèi)，其中數據類(lèi)包含TDCLK、TDAT[15:0]，TCTL，狀態(tài)類(lèi)包含TSCLK，TSTAT[1:0]。 其中，狀態(tài)類(lèi)信號是單端LVTTL信號，接收端利用TSCLK的上升沿對TSTAT[1:0]采樣，方向為從物理層芯片發(fā)往鏈路層芯片;數據類(lèi)信號是差分LVDS信號，接收端利用TDCLK的上升沿與下降沿對TDAT[15:0]和TCTL采樣，即一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行兩次采樣，方向為從鏈路層芯片發(fā)往物理層芯片。 由于接收信號組與發(fā)送信號組的時(shí)序分析類(lèi)似，因此本文僅對發(fā)送信號組進(jìn)行時(shí)序分析。 在本設計中，采用Vitesee公司的VSC9128作為鏈路層芯片，VSC7323作為物理層芯片，以下參數分別從這兩個(gè)芯片的Datasheet中提取出來(lái)。 ● 狀態(tài)類(lèi)信號的時(shí)序分析 對狀態(tài)類(lèi)信號，信號的流向是從物理層芯片發(fā)送到鏈路層芯片。 第一步，確定信號工作頻率，對狀態(tài)類(lèi)信號，本設計設定其工作頻率和時(shí)鐘周期為： Freq=78.125MHz; Tcycle = 1/ Freq = 12.8ns; 第二步，從發(fā)送端，即物理層芯片手冊提取以下參數： -1ns < Tco < 2.5ns; 第三步，從接收端，即鏈路層芯片手冊提取建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求： Tsetup(min) = 2ns; Thold(min) = 0.5ns; 將以上數據代入式1和式2： 2.5ns + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + 2ns < 12.8ns -1ns + (Tflight-data - Tflight-clk)MIN > 0.5ns 整理得到： 1.5ns < (Tflight-data - Tflight-clk) < 8.3ns 基于以上結論，同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結論，當數據信號和時(shí)鐘信號走線(xiàn)長(cháng)度關(guān)系滿(mǎn)足以下關(guān)系時(shí)，狀態(tài)類(lèi)信號的時(shí)序要求將得到滿(mǎn)足：TSTAT信號走線(xiàn)長(cháng)度比TSCLK長(cháng)9英寸，但最多不能超過(guò)49.8英寸。 ● 數據類(lèi)信號的時(shí)序分析 對數據類(lèi)信號，信號的流向是從鏈路層芯片發(fā)送到物理層芯片。 第一步，確定信號工作頻率，對數據類(lèi)信號，本設計設定其工作頻率為： Freq=414.72MHz; 與狀態(tài)類(lèi)信號不同的是，數據類(lèi)信號是雙邊沿采樣，即，一個(gè)時(shí)鐘周期對應兩次采樣，因此采樣周期為時(shí)鐘周期的一半。采樣周期計算方法為： Tsample = 1/2*Tcycle = 1.2ns; 第二步，從發(fā)送端，即鏈路層芯片手冊提取以下參數： -0.28ns < Tco < 0.28ns; 第三步，從接收端，即物理層芯片資料可以提取如下需求： Tsetup(min) = 0.17ns; Thold(min) = 0.21ns; 將以上數據代入式1和式2，需特別注意的是，對數據類(lèi)信號，由于是雙邊沿采樣，應采用Tsample代替式1中的Tcycle： 0.28ns + (Tflight-data- Tflight-clk)MAX + 0.17ns < 1.2ns -0.28ns + (Tflight-data- Tflight-clk)MIN> 0.21ns 整理得到： 0.49ns < (Tflight-data - Tflight-clk) < 0.75ns 基于以上結論，同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結論，當數據信號和時(shí)鐘信號走線(xiàn)長(cháng)度關(guān)系滿(mǎn)足以下關(guān)系時(shí)，數據類(lèi)信號的時(shí)序要求將得到滿(mǎn)足：TDAT、TCTL信號走線(xiàn)長(cháng)度比TDCLK長(cháng)2.94英寸，但最多不能超過(guò)4.5英寸。 5 結論 高速電路中的時(shí)序設計，雖然看似復雜，然而只要明晰其分析方法，問(wèn)題可以迎刃而解。 |
