公司動態(tài)
本文針對高速電路設計中經(jīng)常面臨的時序問題，提出了時序分析和計算方法，并結(jié)合SPI4.2接口給出了具體分析實例。
1 滿足接收端芯片的建立/保持時間的必要性
在高速數(shù)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(shù)字電路的角度來審查自己的產(chǎn)品，而要把信號看作不穩(wěn)定的模擬信號。采用頻譜分析儀對信號分析，可以發(fā)現(xiàn)，信號的高頻譜線主要來自于信號的變化沿而不是信號頻率。例如一個1MHz的信號，雖然時鐘周期為1微秒，但是如果其變化沿上升或下降時間為納秒級，則在頻譜儀上可以觀察到頻率高達數(shù)百兆赫茲的譜線。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(shù)據(jù)的讀取需要基于時鐘采樣，根據(jù)以上分析，為了得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，時鐘的采樣點應該遠離數(shù)據(jù)的變化沿。
是利用時鐘CLK的上升沿采樣數(shù)據(jù)DATA的示例。DATA發(fā)生變化后，需要等待至少Setup時間(建立時間)才能被采樣，而采樣之后，至少Hold時間(保持時間)之內(nèi)DATA不能發(fā)生變化。因此可以看出，器件的建立時間和保持時間的要求，正是為了保證時鐘的采樣點遠離數(shù)據(jù)的變化沿。如果在芯片的輸入端不能滿足這些要求，那么芯片內(nèi)部的邏輯將處于非穩(wěn)態(tài)，功能出現(xiàn)異常。
2 時序分析中的關(guān)鍵參數(shù)
為了進行時序分析，需要從datasheet(芯片手冊)中提取以下關(guān)鍵參數(shù)：
● Freq：時鐘頻率，該參數(shù)取決于對芯片工作速率的要求。
● Tcycle：時鐘周期，根據(jù)時鐘頻率Freq的倒數(shù)求得。Tcycle=1/Freq。
● Tco：時鐘到數(shù)據(jù)輸出的延時。上文提到，輸入數(shù)據(jù)需要采用時鐘采樣，而輸出數(shù)據(jù)同樣也需要參考時鐘，不過一般而言，相比時鐘，輸出的數(shù)據(jù)需要在芯片內(nèi)延遲一段時間，這個時間就稱為Tco。該參數(shù)取決于芯片制造工藝。
● Tsetup(min)：最小輸入建立時間要求。
● Thold(min)：最小輸入保持時間要求。
除以上五個參數(shù)外，時序分析中還需要如下經(jīng)驗參數(shù)：
● 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。
時序計算的目標是得到以下兩個參數(shù)之間的關(guān)系：
● Tflight-data：數(shù)據(jù)信號在電路板上的走線延時。
● Tflight-clk：時鐘信號在電路板上的走線延時。
以上參數(shù)是進行時序分析的關(guān)鍵參數(shù)，對于普通的時序分析已經(jīng)足夠。
3 源同步系統(tǒng)的時序計算
源同步系統(tǒng)指數(shù)據(jù)和時鐘是由同一個器件驅(qū)動發(fā)出的情況，下圖是常見的源同步系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)：
該系統(tǒng)的特點是，時鐘和數(shù)據(jù)均由發(fā)送端器件發(fā)出，在接收端，利用接收到的時鐘信號CLK采樣輸入數(shù)據(jù)信號DATA。
源同步系統(tǒng)的時序計算公式為[1]：
TCO(max) + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + Tsetup(min) < Tcycle (式1)
TCO(min) + (Tflight-data - T flight-clk)MIN > Thold(min) (式2)
時序計算的最終目標是獲得Tflight-data - T flight-clk的允許區(qū)間，再基于該區(qū)間，通過Vsig參數(shù)，推算出時鐘信號和數(shù)據(jù)信號的走線長度關(guān)系。
4 SPI4.2接口時序分析
SPI4.2[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，以T開頭的發(fā)送信號組和以R開頭的接收信號組。每組又分為兩類，以發(fā)送信號組為例，有數(shù)據(jù)類和狀態(tài)類，其中數(shù)據(jù)類包含TDCLK、TDAT[15:0]，TCTL，狀態(tài)類包含TSCLK，TSTAT[1:0]。
其中，狀態(tài)類信號是單端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(shù)據(jù)類信號是差分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，即一個時鐘周期進行兩次采樣，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)送信號組的時序分析類似，因此本文僅對發(fā)送信號組進行時序分析。
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(shù)分別從這兩個芯片的Datasheet中提取出來。
● 狀態(tài)類信號的時序分析
對狀態(tài)類信號，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)類信號，本設計設定其工作頻率和時鐘周期為：
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(shù)[3]：
-1ns < Tco < 2.5ns;
第三步，從接收端，即鏈路層芯片手冊提取建立時間和保持時間的要求[4]：
Tsetup(min) = 2ns;
Thold(min) = 0.5ns;
將以上數(shù)據(jù)代入式1和式2：
2.5ns + (Tflight-data - T flight-clk)MAX + 2ns < 12.8ns
-1ns + (Tflight-data - T flight-clk)MIN > 0.5ns 整理得到：
1.5ns < (Tflight-data - T flight-clk) < 8.3ns
基于以上結(jié)論，同時考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結(jié)論，當數(shù)據(jù)信號和時鐘信號走線長度關(guān)系滿足以下關(guān)系時，狀態(tài)類信號的時序要求將得到滿足：TSTAT信號走線長度比TSCLK長9英寸，但最多不能超過49.8英寸。
● 數(shù)據(jù)類信號的時序分析
對數(shù)據(jù)類信號，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(shù)據(jù)類信號，本設計設定其工作頻率為：
Freq=414.72MHz;
與狀態(tài)類信號不同的是，數(shù)據(jù)類信號是雙邊沿采樣，即，一個時鐘周期對應兩次采樣，因此采樣周期為時鐘周期的一半。采樣周期計算方法為：
Tsample = ½*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(shù)[4]：
-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[3]：
Tsetup(min) = 0.17ns;
Thold(min) = 0.21ns;
將以上數(shù)據(jù)代入式1和式2，需特別注意的是，對數(shù)據(jù)類信號，由于是雙邊沿采樣，應采用Tsample代替式1中的Tcycle：
[磁翻板液位計] 0.28ns + (Tflight-data - T flight-clk)MAX + 0.17ns < 1.2ns
-0.28ns + (Tflight-data - T flight-clk)MIN > 0.21ns
整理得到：
0.49ns < (Tflight-data - T flight-clk) < 0.75ns
基于以上結(jié)論，同時考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結(jié)論，當數(shù)據(jù)信號和時鐘信號走線長度關(guān)系滿足以下關(guān)系時，數(shù)據(jù)類信號的時序要求將得到滿足：TDAT、TCTL信號走線長度比TDCLK長2.94英寸，但最多不能超過4.5英寸。
5 結(jié)論
高速電路中的時序設計，雖然看似復雜，然而只要明晰其分析方法，問題可以迎刃而解。
參考文獻：
[1] 王劍宇. 高速電路設計實踐[M]. 電子工業(yè)出版社，2010：131
[2] Optical Internetworking Forum. Implementation Agreement: OIF-SPI4-02.0[J]. OIF，2002：1-5
[3] Vitesse. VSC7323 Datasheet[J]. Vitesse,2006： 306~312
[4] Vitesse. VSC9125 and VSC9128 Datasheet[J]. Vitesse，2006：769-772
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