02. 源同步時序系統(tǒng)

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

1.源同步系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

上圖是一個基本的源同步時鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥吹?，驅(qū)動芯片在發(fā)送數(shù)據(jù)信號的同時也產(chǎn)生了選通信號(Strobe)，而接收端的觸發(fā)器由該選通信號脈沖控制數(shù)據(jù)的讀取，因此，這個選通信號也可以稱為源同步時鐘信號。

源同步時鐘系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和源同步時鐘信號是同步傳輸?shù)?，我們保證這兩個信號的飛行時間完全一致，這樣只要在發(fā)送端的時序是正確的，那么在接收端也能得到完全正確的時序。整個系統(tǒng)在時序上的穩(wěn)定性完全體現(xiàn)在數(shù)據(jù)和選通信號的匹配程度上，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)的時序絕對正確，而對系統(tǒng)的最高時鐘頻率沒有任何限制。

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

為了保證選通信號和數(shù)據(jù)信號相對保持正確的時序，在源同步時鐘系統(tǒng)中是通過驅(qū)動芯片內(nèi)部的數(shù)字延時器件DLL來實(shí)現(xiàn)(見下圖)，而不是通過PCB走線來控制，因?yàn)橄啾容^而言，DLL器件能做到更為精確的延時，同時還可以受芯片電路控制，調(diào)節(jié)起來更為方便。

2.源同步時序要求

前面已經(jīng)提到源同步時鐘系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一點(diǎn)就是保證data和strobe信號之間的偏移(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，為了更好地說明這些Skew對時序的具體影響，下面我們還是通過時序圖分析的方法來計算一下源同步時鐘系統(tǒng)中信號的建立時間裕量和保持時間裕量。

首先考慮建立時間裕量：

和普通時序分析的方法一下，我們也是從建立時間環(huán)的角度考慮，參考下面的結(jié)構(gòu)圖，我們可以作出驅(qū)動端和接收端的時序示意圖(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)/選通信號在器件的內(nèi)部延遲和信號傳輸?shù)娘w行時間，Tdelay是指數(shù)據(jù)信號和選通信號之間的延遲，由系統(tǒng)內(nèi)DLL延時器件決定，圖中假設(shè)為一個時鐘周期。

將上式帶入建立時間裕量的計算公式：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信號在器件內(nèi)的延時差異定義為Tvb;將PCB走線引起的延時差異定義為Tpcb skew：

Tvb = Tco data– (Tco strobe + Tdelay)

Tpcb skew = Tflt data – Tflt strobe

這樣可以得到一個簡單的建立時間裕量方程：

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

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

再考慮保持時間裕量，如下圖所示，同樣分析可以得到：

再考慮保持時間裕量，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。則保持時間裕量的計算公式為：

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間;Tva表示“Valid after”，指選通信號脈沖之后數(shù)據(jù)仍然有效持續(xù)的時間。這兩個時序參數(shù)一般都可以在器件的datasheet上會找到。

和普通時鐘系統(tǒng)相比，源同步總線在PCB布線的設(shè)計上反而更為方便，設(shè)計者只需要嚴(yán)格保證線長的匹配就行了，而不用太多的考慮信號走線本身的長度。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上也變得越來越困難，尤其是一些信號完整性因素帶來的影響也越發(fā)顯得突出，而且目前的高速系統(tǒng)設(shè)計中，往往綜合應(yīng)用了普通時鐘和源同步時鐘技術(shù)，比如對于地址/控制信號采用普通時鐘總線，而高速的數(shù)據(jù)傳輸則是采用源同步總線。這些對于高速PCB設(shè)計分析人員來說是一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅