（信号与信息处理专业论文）基于ppc750的通用服务器主板设计及其信号完整性分析.pdf

堕玺鎏三垄查主堡圭兰j 耋鎏苎 摘要 在当今的计算机领域里，充斥着各种各样的c p u ，它们的体系结构和应 用方向不尽相同。c p u 的分类方法很多，最为典型的是按照体系结构把它们 分为复杂指令集处理器( c i s c ) 和精简指令集处理器( r i s c ) 。前者以i n t e l 公司代表，主要产品是著名的p e n t i u m 系列处理器，占领了绝大部分的p c 机市场；后者主要有p o w e r p c 处理器、m i p s 处理器等，充斥着超级计算机、 服务器等高端市场。 本文介绍的是一种基于p o w e r p c 处理器的计算机系统，采用的是经典的 计算机系统结构，即南北桥结构。其中，北桥是整个系统的核心通信部分， 含有丰富的高速总线接口，连接了c p u 、s d r a m 、a g p 设备和p c i 设备；南桥 和北桥通过p c i 总线互联，它引出的总线一般速率比较慢，如i s a 、i d e 、u s b 、 f l o p p yd i s k 、f s 2 、串口、并口等。 整个系统的“亮点”在于它有两个百兆网口和独立的监控系统。两个百 兆网口不仅可以高速入网，还支持网络远程启动。基于i s a 总线的监控子系 统，使服务器在没有键盘、鼠标、显示器等传统输入输出设备时也可以正常 工作。 系统的外部工作频率高达1 3 3 m ，是一个典型的高速数字系统，信号完整 性问题不容忽视。 本文主要分为3 个部分：1 ) 信号完整性的基本理论；2 ) 基于p p c 7 5 0 的 主板设计；3 ) 信号完整性设计。 关键字：p o w e r p c ；高速电路设计：信号完整性；系统仿真 a b s t r a c t n o h ，i nt h ef i e l do ft h ec o m p u t e r , t h e r ea r ea l lk i n d so fc p u w i t hd i f f e r e n t s t r u c t u r e dc o m p u t e ro r g a n i z a t i o na n du s i n g t h e yc o u l d b ep a r t i t i o n e dt w os o r t s b ys t r u c t u r e dc o m p u t e ro r g a n i z a t i o n o n e i sc o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ( c i s c ) a n o t h e ri s r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ( r i s c ) i n t e l sp e n t i n m s e r i e sp r o c e s s o r sa r ec i s ct h a tm a i n l yb eu s e di np c p o w e r p ca n dm i p sa r e r i s ct h a tm a i n l yb eu s e di nt h ef i e l do f s u p e rc o m p u t e r a n d t o p e n ds e r v e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e so n es o r to fp o w e r p cb a s e dc o m p u t e rs y s t e mw i t h n o r t hb r i d g ea n ds o u t hb r i d g e n o r t hb r i d g ei st h ec e n t e ro fc o m m u n i c a t i o n 、v i t l l m a n yh i g h s p e e db u s e sa n dc o n n e c t sc p u ，s d r a m ，a p ge q u i p m e n ta n d p c ie q u i p m e n t s o u t hb r i d g ei sc o n n e c t e dt on o r t h b r i d g e 、i t l lp c i b u s i th a s m a n y l o ws p e e db u s e s ，s u c ha si s a ，i d e ，u s b ，f l o p p yd i s k ，p s 2 ，s e r i a lp o r t ， p a r a l l e lp o r t w i mi t sc h a r a c t e r i s t i c t h i ss y s t e mh a st w om i l l i o ne t h e m e ti n t e f f a c e sa n d o n ew a t c h c o n t r o lm o d u l e m i l l i o ne t h e m e ti n t e r f a c e ss u p p o r tn o to n l ye t h e r n e t a c c e s sb u ta l s on e t w o r kb o o t w a t c h - c o n t r o lm o d u l ei sb a s e di s ab u s t h e s y s t e m c a nw o r k n o r m a l l y w i t hi t ，w h i l ei th a sn o k e y b o a r d ，m o u s e ，a n dd i s p l a y t h i ss y s t e mi sat y p i c a lh i g h - s p e e d d i g i t a ls y s t e mw i t h1 3 3 m h ze x t e m a lb u s w el n u s tp a ym o r ea t t e n t i o nt os i g n a li n t e g r a t i o n i nt h ep a p e r , w ea l s ot a l ka b o u t h o wt od e a lw i 如s i g n a li n t e g r a t i o n t h i sp a p e rh a st h r e ep a r t s f i r s ti sb a s i c t h e o r yo fs i g n a li n t e g r a t i o n s e c o n d i st h ed e s i g no fm o t h e r b o a r db a s e dp p c 7 5 0 t h ee n di s t h e d e s i g no fs i g n a l i n t e g r i t y k e yw o r d s ：p o w e r p c ；h i g hs p e e de l e c t r oc i r c u i td e s i g n ；s i g n a l i n t e g r a t i o n ； s y s t e ms i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ ；- _ - l i _ _ i i i i j _ i ；_ 自i i - i - - _ i _ i _ i _ i _ _ l _ _ _ _ - i l j _ _ _ _ j _ e _ j - i l l i 1 1 概述 第1 章绪论 近年来，随着微电子技术的发展，特别是亚微米技术在集成电路设计中 成功的使用，使得在单位面积的硅片上面能够集成越来越多的晶体管。这样 的集成电路不仅功能越来越强，可靠性也越来越高。建立在超大规模集成电 路基础上的计算机技术和通信技术得到了不断的提高。计算机技术和通信技 术的相互渗透、相互融合极大的推动了网络的进步。 五彩缤纷的网络世界给人们的生活带来了全新的感受。现在的网络能够 传输数字数据、传真、语音、图像等一切人们需要相互交流的媒体信息，而 且实时性行也好，给学习、生活、工作带来了极大的便利。网络的好处自然 是不言而喻了。 组成网络的关键设备有路由器、交换机、服务器、网关、网桥以及各种 终端接入设备等等。其中服务器扮演了一个非常重要的角色，它是数据处理 “中心”，在网络中的地位就像计算机中的c p u 一样。在网络中使用到的服务 器基本上可以分为五大类：w e b 服务器、f t p 服务器、m a i l 服务器、域名服 务器、文件共享服务器。 由于服务器的重要性，国际上著名的计算机供应商都有自己知名的系列 产品，如i b m 、s u n 、h p 、苹果等等。这些国际品牌从中国开放市场的那天起 就充斥并长期瓜分中国的服务器市场。国内的网络建设在一段时期内也是主 要依靠这些外来的产品。从基础设施建设，方便人们生活这个角度来讲，网 络能够快速发展是非常好的。但是，当上升到国家战略高度，讲信息安全的 时候就变得非常可怕了。试想一下在千千万万台服务器中，有一台装有间谍 系统，它会按照敌方的指令，窃取各方面的机密资料，而且随时都能发动网 络袭击，瘫痪整个网络。因此，国家出台了很多优惠政策，鼓励、扶持国内 的i t 厂商开发自主的服务器。 面对网络时代如此大的商机，在国家政策的带动下，大批国有的科研机 构和i t 商家不断的投入到这个广阔的领域里面来。一批优秀的企业如雨后春 笋班涌现出来，如联想、曙光、浪潮、方正等等，产品含概了低端、中端和 高端。在激烈的市场竞争中，这些国有品牌经过几年的努力，已经在国内市 堕玺鎏士堡銮主堡圭兰j 耋鎏銮 。 场闯出了一片天地。据专业统计机构统计，2 0 0 2 年国产服务器市场占有率为 4 0 。同时也要清楚的看到，国产品牌服务器在过去几年的市场增长中，尽 管取得了稳步的发展，但是如果想要跟国际品牌在世界范围内竞争，使国产 服务器迈出国门，中国厂商将面临巨大的挑战，还要走一段艰辛的路程。 如何才能面对新的挑战，实现新的突破呢? 对于国产服务器，要解决两 个问题：一个是服务，一个是技术。国内的这些新兴企业已经认识到服务的 重要性，因此提供更好的服务质量已经不是问题。最重要的就是技术。技术 也分为两个方面：一个是软件，一个是硬件。比较这些服务器供应商，他们 有一个共同的特点，那就是软件实力很强，不仅可以针对自己的应用系统优 化操作系统( 如，l i n u x ) ，还可以根据具体应用开发配套软件，美中不足的 是缺乏硬件研发能力。所以这些公司都属于高级的o e m ，就是那国外的硬 件供应商提供硬件平台，加入具有自主知识产权的软件，并配合个性化的包 装，最终成为自己的产品。 这样的发展路线在开始阶段是非常成功的，因为它可以在最短的时间内 让产品上市，从而抢占市场。但是随着时间的推移，它的弊端逐渐的暴露出 来。首先是利润低，大部分利润被那些硬件平台供应商拿走：二是受制于人， 一旦供应商不提供相应的硬件平台，那么这款服务器就要退出历史的舞台； 三是限制发展空间，不能根据用户的需求随意的扩展硬件平台。因此，为了 占领产业的制高点，真正创出完全自主知识的国产品牌，改善国产服务器的 被动局面，就必须发展自己的硬件平台，减少对外国产品的依赖性，这样才 能使自身立于不败之地，使竞争真正的处于公平地位。 1 2 课题的研究背景与来源 全球经济一体化与知识经济的兴起正在推动世界逐步进入新经济时代， 信息产业是新经济的核心。发展信息产业和实现国家经济与社会信息化离不 开服务器、网络信息服务软件及解决方案。对于服务器，不能局限在过去的 那种单一的o e m 模式，不仅要抓软件，还要抓硬件。在不断提供新的、功 能更强的软件同时，要把硬件平台的设计水平也提高上来，使国产服务器整 体迈上一个新台阶。 在众多的服务器厂商中，曙光公司是一颗耀眼的新星。它以中科院计算 技术研究所、国家智能计算机研究开发中心和国家高性能计算机工程中心为 强大技术后盾，是国内唯一一家能够提供从万元到千万元全系列服务器的供 应商。在机遇与挑战并存的时期，曙光公司顺应历史的潮流，做出发展自己 2 监玺鎏王堡盔主鎏圭主垡鎏塞 - 的服务器硬件平台的决定，并把此项任务完全授权给中科院计算所国家高性 能计算机工程中心。 国家高性能计算机工程中心积极合作，很快就展开了该项工作。首先分 析曙光公司产品的结构，发现服务器主板绝大多数采用的是p o w e r p c 处理 器。该种处理器是精筒指令集家族中的一员，功耗极低( 一般为几w ) ，被 广泛的应用在低端、中端、高端服务器上。再者，未来的服务器结构是全新 的以背板技术为基础的刀锋服务器。这种服务器结构能够提供非常高的集成 密度，从而提供更高的带宽和更高的处理速度。这种结构采用i n t e l 的p e n t i u m 处理器是不现实的。因为它的功耗非常大，一般为5 0 w 8 0 w 。如果服务器 中采用1 0 个以上这样的处理器，那么在电源设计和散热设计方面都是非常严 峻的挑战。为了迎合公司的现有产品，并保持高度的可持续发展性，因此决 定继续使用p o w e r p c 处理器。 本课题就是来源于此。处理器是摩托罗拉公司的p p c 7 5 0 c x ，采用南北 桥架构，最终目标是设计成一个通用的w w w 服务器。 1 3 技术难点及技术指标 1 3 1 技术难点 技术难点主要有两个方面：一个是原理设计；一个是高速电路设计，即 信号完整性设计。 原理设计是基础。原理设计需要了解的内容很多，主要是芯片的资料手 册、各种总线接口标准、地址分配和底层软件b i o s 的设计，具体如下： 1 熟悉p o w e r p c 体系结构，阅读p p c 7 5 0 c x 的资料。 2 学习计算机体系结构，明白计算机的工作原理，熟悉南北桥芯片、以太 网芯片、时钟芯片、f l a s h 及其周边的一些器件的资料。 3 学习s d r a m 的结构，总线标准及工作原理。 4 学习a g p 总线规范。 5 学习p c i2 2 总线规范。 6 学习i s a 总线规范。 7 学习i d e 、串口、并口以及p s 2 的接口规范。 8 协同软件人员编写b i o s 和各种外接设备的驱动。 课题中设计的主板，外部总线的工作频率为1 3 3 m ，是一个典型的高速数 3 堕玺鎏三堡盔兰堡主耋售鲨銮 字电路系统。对于高速数字电路系统，在保证原理设计正确的基础上，还要 进行高速电路设计，即进行信号完整性设计。高速电路设计的好坏最终决定 整个主板设计的成功与否。高速电路设计包括以下几个方面： 1 反射现象抑制。 2 串扰现象抑制。 3 ，地弹效应抑制。 4 传导干扰抑制。 5 电源分割。 1 3 2 技术指标 这款服务器主板要兼容现今电脑市场上的一些流行设备，因此要满足以 下技术指标： 1 主板的北桥和c p u 之间，北桥和s d r a m 之间工作频率为1 3 3 m 。 2 a g p 总线的工作频率为6 6 m ，并满足a g p 总线的电气规范。 3 p c i 总线的工作频率为3 3 m ，并满足p c i 总线的电气规范。 4 ，两个i o m i o o m 自适应以太网接口，可以同时线速工作，并支持网络远程 启动。 5 ，满足a t x 电源标准。 6 ，独立的监控系统，用以取代服务器正常工作时所需要的键盘、鼠标、显 示器等外部设备。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章信号线被视为传输线 2 1 集总参数系统 一般的，在时钟速率低、信号边沿变化缓慢的电路分析中，所涉及的网 络都是集总参数的，即所谓的集总参数系统。电路的所有参数，如阻抗、容 抗、感抗都集中于空间的各个点上，即各个元件上。各点之间的信号是瞬间 传递的。集总参数系统是一种理想化的模型。它的基本特征可归纳为： 1 电路参数都集中在电路元件上。 2 元件之间连线的长短对信号本身的特性没有影响，即信号在传输的过程 中无畸变，信号传输不需要时间。 3 系统中各点的电压和电流均是时间且只是时间的函数。 集总参数系统是实际情况的种理想化近似。实际情况是各种参数分布 于电路所在空间各处。当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化 时间相比已不能忽略的时候，就不能再用理想化模型来描述网络，而只能用 分布参数系统来描述。 2 2 典型的分布参数系统传输线 任何一个电子系统中，都不可避免的大量使用信号连接线，连接线长短 不一。当信号的传输时间大于信号的变化时间，互连线就要用分布参数模型 来描述，即传输线模型。由于传输线的一个基本特征是信号在其上的传输需 要时间，因此人们也常常将传输线称之为延迟线。 传输线分为均匀传输线和不均匀传输线。由于p c b 上的每一根走线都是 阻抗连续的，也就是说可以把这种走线看成是均匀传输线，另外均匀传输线 模型成功的应用在高速内存信号的分析上，所以这里只讨论均匀传输线。均 匀传输线指参数沿着整个长度均匀分布。它的基本特征可以归纳为： 1 ，电参数分布在其占据的所有空间位置上。 2 信号传输需要时间。传输线的长度直接影响着信号的特征，或者说可能 使信号在传输过程中产生畸变。 3 信号不仅仅是时间( t ) 的函数，同时也与信号所处位置( x ) 有关，即 5 堕2 ：鎏三堡盔耋堡圭堂j 兰笙塞 信号同时是时间( t ) 和位置( x ) 的函数。 传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。 传输线的分布参数通常用四个一次参数和两个二次参数来表示。四个一次参 数分别是单位长度的电感l 、单位长度的电容c 、单位长度的电阻r 和电导g 。 他们主要由传输线的几何形状和绝缘介质的特性所决定，他们的数值可以用 测量的方法得到，但是对结构简单的传输线可以用计算的方法得到。表2 1 列出了几种常用的传输线的一次分布参数计算公式。 表2 1 几个常用的传输线一次分布参数计算公式 传输线结构h m ( 亨利米)f m ( 法拉米) ( 横截面图) 皇一可 r 2 l n4 h + 丝1 + 1 0 一7 志+108i 。n 山h 、d2 7 1 4 单线 。 ( 4 l 专训州 生 枣1 0 舶 3 6 i n 2 a d 分布的电容、电感、电阻是传输线本身固有的参数，给定某一种传输线， 这些参数的值也就确定了。正是由于这些参数的存在，决定了传输线的一系 列重要特性。 注： 1 这里的，为介质的相对导磁率，以= ，8 ，为介质的相对介电率 f = “8 0 ，胁和晶分别为介质在真空中的导磁率和介电率。 2 应用这些公式的条件是传输线的长度远远大于截面尺寸。 传输线的二次参数是特征阻抗和延迟时间。对于均匀传输线它的分布参 数各处都是样的。取出长度的传输线，此时可以把它看成是集总参数模型， 如图2 1 所示。通过图2 1 我们可以得出血长度传输线的阻抗。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z o= 图2 1 传输线血模型 出越小越接近传输线的实际情况，当觚趋于o 的时候，上式中包含缸z 的一项就可以略去不计。于是上式可以改成 相应的传输延迟的计算公式可以简化为 t 记= j 万 简化后的传输线模型如图2 2 。 lll ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ll 1 l 图2 2 传输线 从图中可以看出，电感和电容是沿着线的长度平均分配。他们的单位是 7 堕玺鎏王耋盔兰鎏土兰垡鲨苎 一 h m 和f m 。 2 3 信号线看作传输线 实验和电动力学理论都可以证明，在以r f 4 为板材的电路板上，电信号 的传播速度不到光速的一半，在工程上经典的估算值为l o c m n s 。在高速电 路板中，大多数器件的信号边沿速率为1 几个r l s ，有的达到几百个p s 。对 于这样的器件，信号线已经不是一般意义的信号线。 如图2 3 所示，一般的近似认为，当信号的延迟时间大于信号跳变时间 2 5 的时候，信号线就要被看作是传输线。而更为保守的规则认为，当信号 的传输延迟大于1 8 信号跳变时间，信号线就被看作是传输线。 尺? 武j 图2 3 源信号和反射信号在传输线上的最小延迟 以微带线为例讨论一下，究竟多长的信号线才能被认为是传输线。对于 现有的器件，t ，的范围从5 n s ( 特别是那些使用双极型工艺) 到l n s ( 新的 c m o $ 器件) 。根据传输线的定义，上升时间和对应的信号线的长度如表2 2 所示： 表2 2 对于t r t ：4 ，和相应的传输线长度 t ，( n s )线长( i n c h ) 58 6 46 9 35 1 23 4 11 7 8 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 对于带有5 n s 跳变时间的旧的器件，长度小于8 6 英寸的信号线就不必 看成是传输线。而对于更新的高速器件，甚至两英寸的信号线也要被视为传 输线。实际上，现在带有高速器件的电路板上所有的信号线都是传输线。 在上面的例子中，如果传输线有分布负载，那么最小传输线长度必须重 新考虑。如表2 3 所示，在有分布负载时，对于t t = l n s 的情况，1 英寸的信 号线已经被看成是传输线。 表2 3 对于t ，t = 4 ，和相应的两种负载关系的传输线长度 t ，( n s )线长( i n c h ) 集中负载分布负载 ， 58 63 6 35 12 1 7 23 41 _ 4 11 7o 7 5 在高速设计中，p c b 和互连线的特性阻抗是最重要和也是最普遍的问题 之一。首先了解一下传输线的定义：传输线由两个具有一定长度的导体组成， 一个导体用来发送信号，另一个用来接收信号( 用“回路”的概念取代“地”的概 念) 。一个多层电路板中，每一条线路都是传输线的组成部分，邻近的参考平 面( 电源或者地) 可做为第二条线路或回路。一条信号线能成为“性能良好” 传输线的关键是让它的特性阻抗在整个线路中保持恒定，这样的信号线也称 为可控阻抗线。 在p c b 上，可能的信号线只有两种：带状线和微带线。如图2 4 所示， 夹在两个电源地平面之间的信号线叫做带状线。这种技术，理论上能够提供 最干净的信号，因为信号线被两个平面屏蔽起来。而带状线被隐藏起来，想 接触这条线并不容易。信号线在外层的叫做微带，如图2 5 所示。电源地 平面在信号线的一侧。这种技术允许很容易的接触这条线。 图2 4 带状线 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 微带线 对于带状线来说，参数c ”h ，z 。，t 。的值n - i n n t g 蚣式计算。 弘万6 0 i n 而丽4 h 百万 t 一= 1 0 1 7 占，( n s f t ) 。=盈zo(pfft)c 1 0 0 0 o = 卫 三o = zo2 c 。( p h f t ) 对微带线来说，参数c ”k ，z 。t 。的值可以用下列公式计算。 弘考斋 ， 5 9 8h 1 n 而0 8 一w - i - t ( q ) 一， t 川= 1 0 1 7 扣丽丙百万( n s f t ) c o = 1 0 0 0 t z p 。d ( p f f t ) 2 4 分布负载计算 o = zo2 co ( p h f t ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 上面讨论的计算是针对负载集中在端的信号线而言，如图2 6 所示。 图2 7 是负载沿着信号线分布的情况。 1 0 喧玺鎏苫堡盔主璺土兰垡鲨耋 一 图2 6 集中负载 图2 7 分布负载 分布负载改变了信号线的参数z 。和k ，新的参数由附加电容c 。来修正 c 。的单位也是f m 。 2 ，5 电流回路 (q)(2-13) t p d = v 压m ， 根据克希霍夫定律，任何时域信号，从源端传输到负载端都必须构成一 个完整的回路，任何频域信号，从源端传输到负载端都必须有一个最低阻抗 的路径。这个原则完全适合高速电路的情况。 在高速电路板上，信号线被视为传输线。信号在信号线上传输的时候一 定要有返回路径。这个返回路径或者是临近的导线，或者是临近的电源地平 面。信号是沿着最低阻抗路径进行传输的。如果信号不是由设计的回路返回， 就一定会通过某个客观存在的回路返回，这一非正常回路中的器件就会受到 干扰。另外，每一个信号回路都是一个客观存在的天线( 因为高速电路设计 中，信号回路有天线效应) ，信号回路的大小决定了天线效应的强弱。信号回 哈尔滨_ 1 ：程大学硕士学位论文 中，信号回路有天线效应) ，信号回路的大小决定了天线效应的强弱。信号回 路越大，天线效应越强，对外干扰就越大，同时也更容易受到外来的干扰。 所以，在进行p c b 布线的时候，一定要人为的设计好信号的返回路径。 2 6 本章小节 本章主要介绍了两个概念：一是信号线要看作传输线，二是电流回路。 在高速电路设计中，信号线已经失去了传统的意义，要把它看成传输线，用 传输线理论解决信号互联问题。另外，还要建立电流回路的概念，这样才能 在设计中减小电路对外界干扰，同时增强自身抗干扰能力，提高系统的可靠 性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章信号完整性的基本理论 3 1 高速数字电路系统的定义 这里所说的高速数字电路系统包括两方面的含义：其一是指系统的工作 频率高：其二是指系统中信号的边沿( 上升沿下降沿) 变化速率快。 一般的认为，当系统的工作频率达到或者超过5 0 m r z 时，就称为高速数 字电路系统。然而更为重要的是，如果信号上升沿下降沿的变化速率很快， 那么即使系统的工作频率很低也要被看作是高速数字系统。 通常约定，如果信号在信号线中传播延时大于l 4 信号驱动端的上升时 间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。 3 2 信号完整性问题 在数字电子系统中，为了能够正确识别和处理数据，集成电路要求在时 钟边沿前后输入的数据要有保持不变的时间段，即建立时间和保持时间。由 集成电路的时序可知，当传输的信号具有正确的时序关系和电压幅度时，数 据就不会被错误捕捉，意味着接收端得到的是比较纯净的数据；反之，会出 现阻尼振荡、过冲、下冲等情况，如果信号在稳态时间内发生了较大的跳变， 集成电路就可能误判或丢失部分数据，严重时，系统性能下降，甚至根本不 能正常工作。 进行高速电路设计的实质就是如何让信号在高速的传输过程中，其物理 波形改变的程度最小，也就是解决信号完整性问题。 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ) 是指信号通过传输后仍能保持其正确 的功能特性而未受损伤的一种特性，未受到损害的信号在电路中能以正确的 时序和电压做出相应的动作。 信号完整性主要包括反射、串扰、振铃、地弹效应等4 个方面。 信号完整性问题源于电路中的互连线。一段导线不仅仅是电的导体，它 在低频的时候呈现电阻性，在中频的时候呈现电容性，在高频的时候呈现电 感性，到了甚高频的时候又变成了天线。正是这种天线效应导致信号产生串 扰和电磁干扰。在高频、甚高频的时候，由于集肤效应使导体表面电阻下降 1 3 堕玺鎏三堡盔耋堡圭主g 鲨銮 的速度比断面电阻的慢，从而造成信号完整性损伤。由于布线密度过大，导 线间距减小，从而使导线间的电容效应增加，这将对信号的传输产生更大的 影响。由于导线具有电感性，两条平行走线之间会存在明显的互感，一些噪 声会随之耦合到逻辑电路中，出现信号完整性损伤。 3 3 反射 3 3 1 反射的概述 信号反射是指传输线上的回波，信号功率的一部分经传输线传给负载， 另一部分则返回源端。信号完整性所讨论的问题中，反射( r e f l e c t i o n ) 占了 很大一部分比重。 在高速电路设计中要想把信号能量从源端全部传递给负载，必须做到阻 抗匹配( 源端阻抗和传输线阻抗相等、传输线阻抗和负载阻抗相等) ，否则负 载只会吸收一部分能量，其他的就会反射回来。布线的某些几何形状、不适 当的端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致信号反射。 信号反射以及集成电路切换速度过高会产生过冲和下冲现象。过冲是指 信号跳变的第一个峰值( 或谷值) ，下冲是指信号跳变的下一个谷值( 或峰值) 。 在驱动器和接收器之间的多次反射会形成阻尼振荡，若振荡幅度超过集成电 路的输入切换门限，会导致时钟出错或数据错误接收，过分的过冲会损坏元 件。 信号反复出现过冲和下冲会带来振铃现象，即在逻辑电平门限的上下抖 动。信号的振铃主要由传输线上过渡的寄生电感和寄生电容引起收端和源端 的阻抗失配引起的。 负载端的信号波形可以看成是源端传送来的信号、负载端原有的信号和 负载端反射信号的总和。具体的波形由负载阻抗和线阻抗的匹配情况以及信 号跳变时间t 。与线的传输延迟t 的比例，即t ，t ，决定的。如果跳变时间t ， 比线的传输延迟t 长很多，那么反射到达源端的时候原始信号只改变了一小 部分。源端驱动器只会补偿很小的能量给“新负载”，这期间只产生很小的信 号扰动，负载端的信号只有小的过冲。如果线的传输延迟t 足够长，当源端 信号改变了绝大部分以后反射才到达，那么驱动器必须有显著的改变才能补 偿负载的变化。这样就容易出现很大的过冲，进而导致振铃。 过冲通常随着信号线长度的变化而变化。当信号的传输延迟等于信号跳 1 4 。：垒玺鎏基2 耋量耋兰型：型耋鎏耋二。；一 变时间的时候，过冲和原始跳变一样大，使信号跳变的摆幅加倍。此时产生 的危害最为严重。 3 3 2 信号反射的量化 给定一根足够长的信号线，它被认为是传输线。负载端反射信号的强度 可以用传输线阻抗z 。和负载阻抗z 。的差值来表示。被反射回来的原始信号用 反射系数k 。来况明。k 。等于： ”箍 ， 反射回来的原始信号占原来的百分比是1 0 0 * k 。 当负载开路的时候： 耻暑副 z ， 当短路负载的时候： 足一2 暑一 s ， 对于开路和短路负载的情况，整个信号都是无衰减的反射回来。 在做信号反射量化时做如下假设：使用的信号线是微带线，典型的阻抗 z 。为6 7q ：使用的器件是c m o sp a l 器件，具体的如p a l c e l 6 v 8 ，输出低电平 时典型的输出值是0 2 v ，相应的输出电流是2 4 m a ，此时的输出阻抗大约为8 q ，在输出高电平时高输出阻抗大约是5 0 q ：负载端输入阻抗是1 0 0 k ；源端 或者是负载端的端电压可以用式3 4 表示。 端电压= 现有值+ 到达值+ 反射值( 3 4 ) 下面是反射量化的推导过程： 1 ) 驱动器从商电平到低电平跳变时的情况。 驱动器的输出阻抗z ；是： z 。：兽：旦：8 3 q ( 3 - 5 ) 2 4 i o l m a 更精确的数值可以从器件输出的实际i v 曲线获得。源端的是 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k r = 篇一盯5 e ， 驱动器输出阻抗和z 。形成一个电压分配器，驱动器信号从3 5 v 切换到 0 2 q 时，产生的信号是： - 矿= 墅兰皆= ! 坠三兰6 二7 主+ 型8 3 = - 2 9 4 矿( 3 7 )z n + z 7 源端的信号( 经过叠加) 是： = u m + v = 3 5 v 一2 9 4 v = o 5 6 v ( 3 - 8 ) 2 ) 信号到达负载端的情况 由于负载的输入阻抗大约是1 0 0 k q ，远远大于z 。那么负载端的实际 上就可以看成是l 。当信号到达负载端时，v 。从原始值3 5 v 改变了一2 ，9 4 v ， 又从负载端反射回来- 2 9 4 v 。叠加后的负载电压是： v ，= 3 5 y 一2 9 4 v 一2 9 4 v = 一2 3 8 v 3 ) 反射到驱动器端的情况 从负载反射回来的信号经第二次反射后的值为： = 一0 7 8 + ( 一2 9 4 ) = 2 2 1 v 此时驱动器端的电压是 矿。= 0 5 6 v 一2 9 4 v + 2 2 1 v = - 0 1 7 v ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 4 ) 信号再次到达负载端时的情况 由于负载端的反射系数是1 ，则又2 2 1 v 的信号被反射，此时负载端的 电压是： = 一2 3 8 v + 2 2 1 v + 2 2 1 v = 2 0 4 v ( 3 1 2 ) 就这样。信号像小球样来回反弹，驱动器端和负载端的值也不断的随 之改变，最终达到一个比较稳定的值。如图3 2 所示，左右两边的线分别对 应源和负载，中间的线表示传送和反射的信号。 1 6 堕玺堡三堡奎堂堡圭芝：垡鎏苎。 v 8 0 5 6 v 0 3 8 v v l 图3 2 信号反射过程 2 3 8 v 2 0 4 v 1 2 8 v 与图3 2 相应的，信号在时域中的信息如图3 3 和图3 4 所示。图3 3 对应的是源信号；图3 4 对应的是负载信号。从图中可以看出，有几个周期， 信号的强度是低于输入阀值的，信号反复跳变几次才能认为是真正有效的 3 v l v l v 乞电压 卜- p 亍意删 图3 3 信号源端反射情况 1 7 v7lo 一 ；l、ll丫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电压 3 v l v 一1 v 3 3 3 反射抑制 图3 4 信号负载端反射情况 时间 对大多数系统来说，上面所讲到的反射量太大了，需要采取些措施来 削弱反射。一般器件的输入和输出阻抗，如上所述，输入阻抗偏高，双极型 是l o k q 的量级，c m o s 大约在l o o k q 左右，而输出驱动阻抗很低。理论上， 当传输线阻抗和负载阻抗相等时，即z n = z 。，会消除负载端反射：传输线阻抗 和驱动器阻抗相等时，即z c = z s ，会消除源端反射。因此要想办法使z 。和z i 或者使z 。和z 。尽量相等。 相应的有两种端接方案：一种是减小z 。至z 。以消除负载反射，或者增大 g s 至z 。以消除源端的第二次反射。通过在负载端并行放置一个电阻能够减小 z - 并行终结，如图3 5 所示；或者在源端和线之间放置串行电阻增大z 。 串行终结，如图3 6 所示。 图3 5 并行端接 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 卜z s z r z 。：z z 驱勰陟! 兰一 图3 6 串行端接 图3 5 所示的并行端接有一个缺点：在电路输出为高电平的时候，对于 5 0q 的终结器，可以达到4 8 m a 之多，这对一个驱动器来说( 大多数c m o s 器 件的输出电流是3 2 m a ) 太大了。另外，有两种端接技术可以弥补并行端接 的缺点，如图3 7 和图3 8 所示。 v o c r 图3 7 分压端接 r j r ： 在图3 7 中用到了v c c 电源，用两个电阻形成一个电压分配器，其分压 电压等于。 等效电阻是 ( 3 - 1 3 ) r 硝2 糕 1 4 ) 虽然这样能够很好的减小输出电流，但是需要更多的电源电流，增加电 源的负担。图3 8 所示的端接方法叫做交流端接，是用一个电容和一个电阻 接成串联r c 网络a 电容可以在i o o p f 的级别上，精确的值并不重要。电容对 交流是短路的，对直流是断路的，这样对驱动器来说是没有直流负载效应的。 1 9 糕 = 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 图3 8a c 端接 - 7 r o c 最好的端接方式是图3 6 所示的在源端进行端接处理。此时z 。+ r ，= z 。 形成一个电压分配器。原始跳变被这个电压分配器分成两半，这半个跳变沿 着传输线直到它在没有终结的负载端被反射。因为反射引起原始半个跳变加 倍，在负载端带来了信号的最终值，如图3 9 所示。这个反射然后返回到线 上，沿着这条线完成所有跳变如图3 i 0 所示。 v s 3 2 l o v 。 3 2 l o o t 2 t时间 图3 9 源端的信号 0 t 2 t 图3 1 0 负载端的信号 在上面讨论的没有端接的微带例子中，我们放一个串行端接电阻来继续 阐明。在驱动器端放一个5 9 q 的串行电阻。对于“低到“高”的跳变，源 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 端的信号是： ，=_(o云2_=vf-丽3sv)zo=11i笔蒜=一118 6 ( 。一s ) 、，= 一= 一u j f 一1h 1 ” 互+ z n + 5 蛇 弛+ 6 弛+ 5 勉 = 3 5 v + r = 3 5 v 一1 6 5 v = 1 8 5 v ( 3 - 1 6 ) 如果负载是丌路，那么返射回一1 6 5 v 。当被反射的信号到达源端时，因 为z 。通过r ，与z 。匹配，所以没有新的反射。 = 1 8 5 v 一1 6 5 v = o 2 v ( 3 - 1 7 ) 当原始信号到达时负载端的反射导致v 。等于0 2 v 。在这个例子中，经过 了3 n s 以后，v 。直到反射的信号返回时才等于0 2 v 。 如果负载沿着传输线分布，此方法有一定的风险，那些没在传输线尾部 的负载在反射信号干净以前会看到一些中间电压。另外，这种技术增加了往 返的延迟，因为只有最靠近驱动器端的器件有效输入以后才能认为信号有效。 在反射信号返回后紧靠驱动器的器件的输入才能有效。因为分布负载增加的 电容减小了z 。并增加了t 。所以延迟要比上一个例子中所示的更长。 不管这个缺点，串行终结成功的应用到了d r a m 驱动器上，甚至当d r a m 沿着信号线分布。由于终结并不是精确匹配，所以会产生振铃。然而，如果 振铃低于可容忍电平，就可以成功使用。 由于驱动器在输出高电平和低电平时，其输出阻抗是有差异的，所以要 做到阻抗精确匹配通常是不可能的。这使终结电阻的选择变得复杂。必须选 择一种折衷的值使两种跳变方向都有可接受的结果。 3 4 串扰 3 4 1 串扰概述 串扰( c r o s st a l k ) 是指没有电器连接的信号线之间通过容性耦合和感 性耦合，使电磁能量从一根传输线耦合到另一根传输线。这种耦合会使信号 线起天线的作用，其中容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压，并随 着信号频率的升高和线间尺寸的减小而加大。这是由于信号线上有交变的信 号电流通过时，会产生交变的磁场，处于该磁场中的其它信号线会感应出信 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号电压。印刷电路板板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性 及信号线端接方式都对串扰有一定的影响。 形成串扰的三要素：干扰源；对该干扰能量敏感的接收器；将干扰传输 到接收器的媒介，即传输通道。所有的干扰都是由这三个基本要素组合而产 生的，相应地要抑制干扰也应该出这三个方面入手。 3 4 2 容性耦合 当两条信号线靠得很近的时候，就会发生容性耦合。可以用图3 1 1 简单 的描述容性耦合。 u 图3 1 1 容性耦合 假设导线1 上的电压u - 为骚扰源电压，而导线二为受影响的电路( 即敏 感电路) 。则导线2 和地之间产生的噪声电压u 。可用下式表示。 u ”2 而瓦j i ( 9 c 丽1 21 r u 一( 3 _ 2 0 ) “ j ( c 1 2 + c2 。) + u “7 当，缸c 1 2 + ) z 。，则 【，一。盟 8 r f i + r 朋 u 。在r ，。上形成的骚扰电压u 。是 u 。= 面u g 面r l 2 ( 3 - 3 0 ) ( 3 3 1 ) 将式3 - 3 0 带入式3 - 3 1 得 乩= 面瓦u i 丽z g r t 2 ( 3 _ 3 2 ) 可见，敏感电路负载r t z 上的骚扰电压u 。是骚扰源电压u ，、公共阻抗z 。 及负载r 。：得函数。 图3 1 9 两个电路使用公共电源时的共阻抗耦合 2 7 鄢 勖 ” 删 删 删 删 删 0 浯 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 9 示