02. 源同步時(shí)序系統(tǒng)

針對(duì)普通時(shí)鐘系統(tǒng)存在著限制時(shí)鐘頻率的弊端，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的時(shí)序系統(tǒng)，稱(chēng)之為源同步時(shí)序系統(tǒng)。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是大大提升了總線的速度，在理論上信號(hào)的傳送可以不受傳輸延遲的影響。下面我們來(lái)看看這種源同步時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1.源同步系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

上圖是一個(gè)基本的源同步時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。可以看到，驅(qū)動(dòng)芯片在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)也產(chǎn)生了選通信號(hào)(Strobe)，而接收端的觸發(fā)器由該選通信號(hào)脈沖控制數(shù)據(jù)的讀取，因此，這個(gè)選通信號(hào)也可以稱(chēng)為源同步時(shí)鐘信號(hào)。

源同步時(shí)鐘系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和源同步時(shí)鐘信號(hào)是同步傳輸?shù)模覀儽ＷC這兩個(gè)信號(hào)的飛行時(shí)間完全一致，這樣只要在發(fā)送端的時(shí)序是正確的，那么在接收端也能得到完全正確的時(shí)序。整個(gè)系統(tǒng)在時(shí)序上的穩(wěn)定性完全體現(xiàn)在數(shù)據(jù)和選通信號(hào)的匹配程度上，包括傳輸延遲的匹配，器件性能的匹配等等，只要兩者條件完全相同，那么我們就可以保證系統(tǒng)的時(shí)序絕對(duì)正確，而對(duì)系統(tǒng)的最高時(shí)鐘頻率沒(méi)有任何限制。

當(dāng)然，對(duì)于任何數(shù)據(jù)接收來(lái)說(shuō)，一定的建立和保持時(shí)間都是必須滿(mǎn)足的，源同步時(shí)鐘系統(tǒng)也同樣如此，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)信號(hào)和選通信號(hào)之間的時(shí)序要求上。最理想的情況就是選通信號(hào)能在數(shù)據(jù)信號(hào)的中央部分讀取，如圖下圖所示，這樣才能保證最充分的建立和保持時(shí)間。

為了保證選通信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)相對(duì)保持正確的時(shí)序，在源同步時(shí)鐘系統(tǒng)中是通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的數(shù)字延時(shí)器件DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)下圖)，而不是通過(guò)PCB走線來(lái)控制，因?yàn)橄啾容^而言，DLL器件能做到更為精確的延時(shí)，同時(shí)還可以受芯片電路控制，調(diào)節(jié)起來(lái)更為方便。

2.源同步時(shí)序要求

前面已經(jīng)提到源同步時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一點(diǎn)就是保證data和strobe信號(hào)之間的偏移(Skew)最小，引起這些誤差的最主要的因素就是實(shí)際系統(tǒng)中各器件的時(shí)序參數(shù)Tco的不同，此外還有布線上引起的差異，為了更好地說(shuō)明這些Skew對(duì)時(shí)序的具體影響，下面我們還是通過(guò)時(shí)序圖分析的方法來(lái)計(jì)算一下源同步時(shí)鐘系統(tǒng)中信號(hào)的建立時(shí)間裕量和保持時(shí)間裕量。

首先考慮建立時(shí)間裕量：

和普通時(shí)序分析的方法一下，我們也是從建立時(shí)間環(huán)的角度考慮，參考下面的結(jié)構(gòu)圖，我們可以作出驅(qū)動(dòng)端和接收端的時(shí)序示意圖(下圖)。

Tdata = Tco_data +Tflt_data

Tstrobe = Tco strobe + Tflt strobe + Tdelay

其中，Tco和Tflt分別代表數(shù)據(jù)/選通信號(hào)在器件的內(nèi)部延遲和信號(hào)傳輸?shù)娘w行時(shí)間，Tdelay是指數(shù)據(jù)信號(hào)和選通信號(hào)之間的延遲，由系統(tǒng)內(nèi)DLL延時(shí)器件決定，圖中假設(shè)為一個(gè)時(shí)鐘周期。

將上式帶入建立時(shí)間裕量的計(jì)算公式：Tsetup margin = Tclk – Tdata– Tsetup可以得到：

Tsetup margin =(Tco strobe + Tflt strobe + Tdelay)- (Tco data+ Tflt data) – Tsetup

如果我們將數(shù)據(jù)和Strobe信號(hào)在器件內(nèi)的延時(shí)差異定義為T(mén)vb;將PCB走線引起的延時(shí)差異定義為T(mén)pcb skew：

Tvb = Tco data– (Tco strobe + Tdelay)

Tpcb skew = Tflt data – Tflt strobe

這樣可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的建立時(shí)間裕量方程：

Tsetup margin = - Tvb – Tsetup – Tpcb skew (1.6.5)

注意：公式1.6.5中Tvb是一個(gè)負(fù)值，從公式中可以看出，如果數(shù)據(jù)和選通信號(hào)的Tco相同的話，其大小就是- Tdelay ，也就說(shuō)明數(shù)據(jù)信號(hào)必須提前于選通信號(hào)發(fā)送。

再考慮保持時(shí)間裕量，如下圖所示，同樣分析可以得到：

再考慮保持時(shí)間裕量，如圖1-6-12，同樣分析可以得到：

Thold margin = (Tco data + Tflt data + Tdelay) – (Tco strobe +Tflt strobe) – Thold

如果定義：Tva = Tco data – Tco strobe + Tdelay 為正值;Tpcb skew定義不變。則保持時(shí)間裕量的計(jì)算公式為：

Thold margin = Tva – Thold – Tpcb skew (1.6.6)

在公式1.6.5和1.6.6中，兩個(gè)重要的參數(shù)是Tvb和Tva，Tvb表示“Valid before”，即數(shù)據(jù)在選通脈沖前有效存在的時(shí)間;Tva表示“Valid after”，指選通信號(hào)脈沖之后數(shù)據(jù)仍然有效持續(xù)的時(shí)間。這兩個(gè)時(shí)序參數(shù)一般都可以在器件的datasheet上會(huì)找到。

和普通時(shí)鐘系統(tǒng)相比，源同步總線在PCB布線的設(shè)計(jì)上反而更為方便，設(shè)計(jì)者只需要嚴(yán)格保證線長(zhǎng)的匹配就行了，而不用太多的考慮信號(hào)走線本身的長(zhǎng)度。當(dāng)然，盡管源同步數(shù)據(jù)傳輸在理論上突破了頻率的限制，但隨著頻率的提高，在控制Skew上也變得越來(lái)越困難，尤其是一些信號(hào)完整性因素帶來(lái)的影響也越發(fā)顯得突出，而且目前的高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往綜合應(yīng)用了普通時(shí)鐘和源同步時(shí)鐘技術(shù)，比如對(duì)于地址/控制信號(hào)采用普通時(shí)鐘總線，而高速的數(shù)據(jù)傳輸則是采用源同步總線。這些對(duì)于高速PCB設(shè)計(jì)分析人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅