對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來說，時(shí)序問題在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的,，尤其是隨著時(shí)鐘頻率的提高,，留給數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ёx寫窗口越來越小，要想在很短的時(shí)間限制里,，讓數(shù)據(jù)信號從驅(qū)動端完整地傳送到接收端,，就必須進(jìn)行精確的時(shí)序計(jì)算和分析。同時(shí),，時(shí)序和信號完整性也是密不可分的,，良好的信號質(zhì)量是確保穩(wěn)定的時(shí)序的關(guān)鍵，由于反射,，串?dāng)_造成的信號質(zhì)量問題都很可能帶來時(shí)序的偏移和紊亂,。因此，對于一個(gè)信號完整性工程師來說,，如果不懂得系統(tǒng)時(shí)序的理論,，那肯定是不稱職的。本章我們就普通時(shí)序（共同時(shí)鐘）和源同步系統(tǒng)時(shí)序等方面對系統(tǒng)時(shí)序的基礎(chǔ)知識作一些簡單的介紹,。

　　普通時(shí)序系統(tǒng)（共同時(shí)鐘系統(tǒng)）

　　所謂普通時(shí)序系統(tǒng)就是指驅(qū)動端和接收端的同步時(shí)鐘信號都是由一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器提供,。下圖就是一個(gè)典型的普通時(shí)鐘系統(tǒng)的示意圖，表示的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的前端總線的時(shí)序結(jié)構(gòu),，即處理器（CPU）和芯片組（Chipset）之間的連接,。

　　在這個(gè)例子中，驅(qū)動端（處理器）向接收端（芯片組）傳送數(shù)據(jù),，我們可以將整個(gè)數(shù)據(jù)傳送的過程考慮為三個(gè)步驟：

　　1.核心處理器提供數(shù)據(jù),；

　　2.在第一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿到達(dá)時(shí),，處理器將數(shù)據(jù)Dp鎖存至Qp輸出；

　　3.Qp沿傳輸線傳送到接收端觸發(fā)器的Dc,，并在第二個(gè)時(shí)鐘上升沿到達(dá)時(shí),，將數(shù)據(jù)傳送到芯片組內(nèi)部。一般來說,，標(biāo)準(zhǔn)普通時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)鐘信號到各個(gè)模塊是同步的,，即圖中的Tflt clka和Tflt clkb延時(shí)相同。通過分析不難看出,，整個(gè)數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收的過程需要經(jīng)歷連續(xù)的兩個(gè)時(shí)鐘沿,，也就是說，如果要使系統(tǒng)能正常工作,，就必須在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)讓信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?。如果信號的傳輸延遲大于一個(gè)時(shí)鐘周期，那么當(dāng)接收端的第二個(gè)時(shí)鐘沿觸發(fā)時(shí),，就會造成數(shù)據(jù)的錯誤讀取,，因?yàn)檎_的數(shù)據(jù)還在傳輸?shù)倪^程中，這就是建立時(shí)間不足帶來的時(shí)序問題,。

　　目前普通時(shí)序系統(tǒng)的頻率無法得到進(jìn)一步提升的原因就在于此,，頻率越高，時(shí)鐘周期越短,，允許在傳輸線上的延時(shí)也就越小,，200-300MHz已經(jīng)幾乎成為普通時(shí)序系統(tǒng)的頻率極限。那么,，是不是傳輸延時(shí)保持越小就越好呢,？當(dāng)然也不是的，因?yàn)樗€必須要滿足一定的保持時(shí)間,。在接下來幾節(jié)里,，我們就建立和保持時(shí)間來分析一下時(shí)序設(shè)計(jì)需要考慮的一些問題以及正確的系統(tǒng)時(shí)序所必須滿足的條件。

　　時(shí)序參數(shù)的確定

　　對于時(shí)序問題的分析,，我們首先要清楚地理解相關(guān)的一些時(shí)序參數(shù)的具體含義,，比如Tco，緩沖延時(shí),，傳播延遲,，最大/小飛行時(shí)間，建立時(shí)間,，保持時(shí)間,，建立時(shí)間裕量，保持時(shí)間裕量，時(shí)鐘抖動,，時(shí)鐘偏移等等,，如果對這些參數(shù)的概念理解不深刻，就很容易造成時(shí)序設(shè)計(jì)上的失誤,。

　　首先要闡明的是Tco和緩沖延時(shí)（buffer delay）的區(qū)別,。從定義上來說，Tco是指時(shí)鐘觸發(fā)開始到有效數(shù)據(jù)輸出的器件內(nèi)部所有延時(shí)的總和,；而緩沖延時(shí)是指信號經(jīng)過緩沖器達(dá)到有效的電壓輸出所需要的時(shí)間,。可以看出,，Tco除了包含緩沖延時(shí),，還包括邏輯延時(shí)。通常,，確定Tco的方法是在緩沖輸出的末端直接相連一個(gè)測量負(fù)載,，最常見的是50歐姆的電阻或者30pF的電容，然后測量負(fù)載上的信號電壓達(dá)到一定電平的時(shí)間,，這個(gè)電平稱為測量電壓（Vms）,，一般是信號高電平的一半。如Tco和緩沖延時(shí)的確定如下圖所示：

　　信號從緩沖器出來之后,，就要經(jīng)過傳輸線到接收終端，信號在傳輸線上的傳輸?shù)难訒r(shí)我們稱為傳播延遲（propagationdelay）,，它只和信號的傳播速度和線長有關(guān),。然而我們在大多數(shù)時(shí)序設(shè)計(jì)里面，最關(guān)鍵的卻不是傳播延遲這個(gè)參數(shù),，而是飛行時(shí)間（Flight Time）參數(shù),，包括最大飛行時(shí)間（Max Flight Time）和最小飛行時(shí)間（Min Flight Time）。飛行時(shí)間包含了傳播延遲和信號上升沿變化這兩部分因素,，從下圖中可以很容易看出兩者的區(qū)別,。

　　在較輕的負(fù)載（如單負(fù)載）情況下，驅(qū)動端的上升沿幾乎和接收端的信號的上升沿平行,，所以這時(shí)候平均飛行時(shí)間和傳播延遲相差不大,；但如果在重負(fù)載（如多負(fù)載）的情況下，接收信號的上升沿明顯變緩,，這時(shí)候平均飛行時(shí)間就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的傳播延遲,。這里說的平均飛行時(shí)間是指Buffer波形的Vms到接收端波形Vms之間的延時(shí)，這個(gè)參數(shù)只能用于時(shí)序的估算,，準(zhǔn)確的時(shí)序分析一定要通過仿真測量最大/最小飛行時(shí)間來計(jì)算,。

　　上面只是對信號上升沿的分析，對于下降沿來說，同樣存在著最大/最小飛行時(shí)間的參數(shù),，如下圖,。在時(shí)序計(jì)算時(shí)我們實(shí)際取的最大飛行時(shí)間是在上升沿和下降沿中取最長的那個(gè)飛行時(shí)間，而最小飛行時(shí)間則是取上升和下降沿中最短的那個(gè)飛行時(shí)間,。

　　也有些時(shí)候,，人們對信號的最大/最小飛行時(shí)間還有其它稱謂，比如在Cadence軟件中,，就將最大飛行時(shí)間稱為最終穩(wěn)定延時(shí)（Final Settle Delay）,，而將最小飛行時(shí)間稱為最早開關(guān)延時(shí)

　　（First SwitchDelay）,，如下圖,。

　　信號經(jīng)過傳輸線到達(dá)接收端之后，就牽涉到建立時(shí)間和保持時(shí)間這兩個(gè)時(shí)序參數(shù),，它們是接收器本身的特性,，表征了時(shí)鐘邊沿觸發(fā)時(shí)數(shù)據(jù)需要在鎖存器的輸入端持續(xù)的時(shí)間。通俗地說,，時(shí)鐘信號來的時(shí)候,，要求數(shù)據(jù)必須已經(jīng)存在一段時(shí)間，這就是器件需要的建立時(shí)間（Setup Time）,；而時(shí)鐘邊沿觸發(fā)之后,，數(shù)據(jù)還必須要繼續(xù)保持一段時(shí)間，以便能穩(wěn)定的讀取,，這就是器件需要的保持時(shí)間（Hold Time）,。如果數(shù)據(jù)信號在時(shí)鐘沿觸發(fā)前后持續(xù)的時(shí)間均超過建立和保持時(shí)間，那么超過量就分別被稱為建立時(shí)間裕量和保持時(shí)間裕量,。見下圖,，其中還考慮了時(shí)鐘誤差的因素。

　　每個(gè)器件的建立和保持時(shí)間參數(shù),，一般都可以在相應(yīng)的DataSheet查到,，對于設(shè)計(jì)者來說最大的目的是提高時(shí)序的裕量，這樣即使信號完整性上出現(xiàn)一點(diǎn)問題,，或者外界環(huán)境發(fā)生一定的變化,，系統(tǒng)仍然能正常工作，這就是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)該體現(xiàn)出的超強(qiáng)的穩(wěn)定性,。

　　系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)中對時(shí)鐘信號的要求是非常嚴(yán)格的,，因?yàn)槲覀兯械臅r(shí)序計(jì)算都是以恒定的時(shí)鐘信號為基準(zhǔn)。但實(shí)際中時(shí)鐘信號往往不可能總是那么完美,，會出現(xiàn)抖動（Jitter）和偏移（Skew）問題,。所謂抖動,，就是指兩個(gè)時(shí)鐘周期之間存在的差值，這個(gè)誤差是在時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的,，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān),，布線對其沒有影響，如下圖,。除此之外,，還有一種由于周期內(nèi)信號的占空比發(fā)生變化而引起的抖動，稱之為半周期抖動,?？偟膩碚f，jitter可以認(rèn)為在時(shí)鐘信號本身在傳輸過程中的一些偶然和不定的變化之總和,。

　　時(shí)鐘偏移（skew）是指兩個(gè)相同的系統(tǒng)時(shí)鐘之間的偏移,。它表現(xiàn)的形式是多種多樣的，既包含了時(shí)鐘驅(qū)動器的多個(gè)輸出之間的偏移,，也包含了由于PCB走線誤差造成的接收端和驅(qū)動端時(shí)鐘信號之間的偏移,，比如在下圖中所示，CLKA和CLKB之間的差異,，CLKC和CLKP之間的差異均為時(shí)鐘偏移,，這些偏移量在時(shí)序計(jì)算中需要全部考慮。

　　除了上面提到的這些概念,，還有一點(diǎn)要注意的是,，時(shí)刻不能忽略信號完整性對時(shí)序的影響，比如串?dāng)_會影響微帶線傳播延遲,；反射會造成數(shù)據(jù)信號在邏輯門限附近波動,，從而影響最大/最小飛行時(shí)間；時(shí)鐘走線的干擾會造成一定的時(shí)鐘偏移,。有些誤差或不確定因素是仿真中無法預(yù)見的，設(shè)計(jì)者只有通過周密的思考和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累來逐步提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平,。

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