【導(dǎo)讀】在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者不能單純地從數(shù)字電路的角度來(lái)審查自己的產(chǎn)品，而要把信號(hào)看作不穩(wěn)定的模擬信號(hào)。高速電路中的時(shí)序設(shè)計(jì)，雖然看似復(fù)雜，然而只要明晰其分析方法，問(wèn)題可以迎刃而解。那怎么計(jì)算呢？
1 滿足接收端芯片的建立，保持時(shí)間的必要性
在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，由于趨膚效應(yīng)、臨近干擾、電流高速變化等因素，設(shè)計(jì)者不能單純地從數(shù)字電路的角度來(lái)審查自己的產(chǎn)品，而要把信號(hào)看作不穩(wěn)定的模擬信號(hào)。采用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)分析，可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)的高頻譜線主要來(lái)自于信號(hào)的變化沿而不是信號(hào)頻率。例如一個(gè)1MHz的信號(hào)，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(jí)，則在頻譜儀上可以觀察到頻率高達(dá)數(shù)百兆赫茲的譜線。因此，電路設(shè)計(jì)者應(yīng)該更加關(guān)注信號(hào)的邊沿，因?yàn)檫呇赝簿褪切盘?hào)頻譜最高、最容易受到干擾的地方。
在同步設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的讀取需要基于時(shí)鐘采樣，根據(jù)以上分析，為了得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，時(shí)鐘的采樣點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)的變化沿。
圖1是利用時(shí)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(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(nèi)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(yuǎn)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(shí)序分析中的關(guān)鍵參數(shù)
為了進(jìn)行時(shí)序分析，需要從datasheet(芯片手冊(cè))中提取以下關(guān)鍵參數(shù)：
● Freq：時(shí)鐘頻率，該參數(shù)取決于對(duì)芯片工作速率的要求。
● Tcycle：時(shí)鐘周期，根據(jù)時(shí)鐘頻率Freq的倒數(shù)求得。Tcycle=1/Freq。
● Tco：時(shí)鐘到數(shù)據(jù)輸出的延時(shí)。上文提到，輸入數(shù)據(jù)需要采用時(shí)鐘采樣，而輸出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)需要在芯片內(nèi)延遲一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)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(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(shù)外，時(shí)序分析中還需要如下經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：
● Vsig：信號(hào)傳輸速度。信號(hào)在電路上傳輸，傳輸速度約為6英寸/納秒。
時(shí)序計(jì)算的目標(biāo)是得到以下兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系：
● Tflight-data：數(shù)據(jù)信號(hào)在電路板上的走線延時(shí)。
● Tflight-clk：時(shí)鐘信號(hào)在電路板上的走線延時(shí)。
以上參數(shù)是進(jìn)行時(shí)序分析的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于普通的時(shí)序分析已經(jīng)足夠。
3 源同步系統(tǒng)的時(shí)序計(jì)算
源同步系統(tǒng)指數(shù)據(jù)和時(shí)鐘是由同一個(gè)器件驅(qū)動(dòng)發(fā)出的情況，下圖是常見(jiàn)的源同步系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，時(shí)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(shí)鐘信號(hào)CLK采樣輸入數(shù)據(jù)信號(hào)DATA。
源同步系統(tǒng)的時(shí)序計(jì)算公式為：
TCO(max) + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + Tsetup(min) < Tcycle (式1)
TCO(min) + (Tflight-data - Tflight-clk)MIN > Thold(min) (式2)
時(shí)序計(jì)算的最終目標(biāo)是獲得Tflight-data - T flight-clk的允許區(qū)間，再基于該區(qū)間，通過(guò)Vsig參數(shù)，推算出時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的走線長(zhǎng)度關(guān)系。
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4 SPI4.2接口時(shí)序分析
SPI4.2(System Packet Interface Level4, Phase 2)接口是國(guó)際組織OIF制定的針對(duì)OC192(10Gbps)速率的接口。目前廣泛應(yīng)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(hào)按照收、發(fā)方向分為兩組，如圖3中，以T開頭的發(fā)送信號(hào)組和以R開頭的接收信號(hào)組。每組又分為兩類，以發(fā)送信號(hào)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(hào)是單端LVTTL信號(hào)，接收端利用TSCLK的上升沿對(duì)TSTAT[1:0]采樣，方向?yàn)閺奈锢韺有酒l(fā)往鏈路層芯片;數(shù)據(jù)類信號(hào)是差分LVDS信號(hào)，接收端利用TDCLK的上升沿與下降沿對(duì)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?yàn)閺逆溌穼有酒l(fā)往物理層芯片。
由于接收信號(hào)組與發(fā)送信號(hào)組的時(shí)序分析類似，因此本文僅對(duì)發(fā)送信號(hào)組進(jìn)行時(shí)序分析。
在本設(shè)計(jì)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(gè)芯片的Datasheet中提取出來(lái)。
● 狀態(tài)類信號(hào)的時(shí)序分析
對(duì)狀態(tài)類信號(hào)，信號(hào)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(hào)工作頻率，對(duì)狀態(tài)類信號(hào)，本設(shè)計(jì)設(shè)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(cè)提取以下參數(shù)：
-1ns < Tco < 2.5ns;
第三步，從接收端，即鏈路層芯片手冊(cè)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(shù)據(jù)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(jié)論，同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結(jié)論，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度關(guān)系滿足以下關(guān)系時(shí)，狀態(tài)類信號(hào)的時(shí)序要求將得到滿足：TSTAT信號(hào)走線長(zhǎng)度比TSCLK長(zhǎng)9英寸，但最多不能超過(guò)49.8英寸。
● 數(shù)據(jù)類信號(hào)的時(shí)序分析
對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào)，信號(hào)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(hào)工作頻率，對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào)，本設(shè)計(jì)設(shè)定其工作頻率為：
Freq=414.72MHz;
與狀態(tài)類信號(hào)不同的是，數(shù)據(jù)類信號(hào)是雙邊沿采樣，即，一個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)兩次采樣，因此采樣周期為時(shí)鐘周期的一半。采樣周期計(jì)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(cè)提取以下參數(shù)：
-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(shù)據(jù)代入式1和式2，需特別注意的是，對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào)，由于是雙邊沿采樣，應(yīng)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(jié)論，同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下結(jié)論，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度關(guān)系滿足以下關(guān)系時(shí)，數(shù)據(jù)類信號(hào)的時(shí)序要求將得到滿足：TDAT、TCTL信號(hào)走線長(zhǎng)度比TDCLK長(zhǎng)2.94英寸，但最多不能超過(guò)4.5英寸。
5 結(jié)論
高速電路中的時(shí)序設(shè)計(jì)，雖然看似復(fù)雜，然而只要明晰其分析方法，問(wèn)題可以迎刃而解。
