（电路与系统专业论文）基于SKILL的Cadence软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，系统时钟频率的日益提高和信号 边沿的不断缩短，信号完整性问题变得日益突出，电路设计中需要对大量复杂的、 多条件的网络进行分析，仿真费用和仿真时间都在急剧增加。现有的e d a 信号完 整性仿真工具的自动化程度不高，对于设计人员的依赖性很大，增加了产品开发 成本，延长了产品开发周期。 本文首先对信号完整性理论进行了介绍，着重介绍了反射问题的根源以及减 低措施。接下来对c a d e n c ee d a 软件的现有功能和局限性进行了介绍，提出了基 于c a d e n c e e d a 软件的信号完整性仿真自动化平台，并且构建了软件的总体框架。 最后对软件开发中的若干关键技术进行了详细的论述。 关键词：信号完整性仿真自动化s l 【i l la u t o m a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c m c l c c h o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs c i e n c e ， b f 圮a u s eo fq u i c k l yr a i s e ds y s t e m a t i cc l o c kf r e q u e n c ya n dc o n t i n u o u s l ys h o r t e ns i g n a l j u m pe d g e ，s i g n a li n t e g r i t y ( s 1 ) p r o b l e mb e c o m em o r ea n dm o r ep r o m i n e n t , m o r e c o m p l i c a t e da n dm u l t i - c o n d i t i o na n a l y s i sh a sb e e nr e q u i r e dd u r i n gt h ed e s i g n ，e x p e n s e s a n dt i m eo fs i m u l a t i n gi s i n c r e a s i n gs h a r p l y t o d a y se d at o o l s h o w e v e r ，d e p e n d o v e f f u l lo nm a n u a lw o r k ，s t i l lh a v ed i s a d v a n t a g e si na u t o m a t i o n t h ec o s tw i l lb e e n h a n c e da n dd e v e l o p m e n tc y c l ew i l lb ee x t e n d e d i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fs i g n a li n t e g r i t yf i r s t ，e m p h a s i st ot h e o r i g i n so fr e f l e c t i o np r o b l e ma n dt h em e a s u r eo fd i m i n u t i o n t h e nw ei n t r o d u c e dt h e f u n c t i o na n dt h el o c a l i z a t i o no ft h ec a d e n c ee d as o f t w a r e ，b r o u g h ts i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i o na u t o m a t i z a t i o np l a t f o r mb a s e do nc a d e n c ee d as o f t w e r o ，a n dc o n s t r u c t e dt h e g e n e r a lf l a m eo ft h es o f t w a r e , a n dd e s c r i b e dt h ek e yt e c h n o l o g i e sp a r t i c u l a r l ya tl a s t k e y w o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i o na u t o m a t i z a t i o ns k i l la u t o m a t i o n 声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：! ：家三型一 日期：一! 竺址! 丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：! 家兰垒 同期：兰塑! ! ! ! 五 导师签名：日期：型型少 绪论 绪论 当今时代，电子设计的特点是时钟频率日益提高，信号的边沿变化时问极大 地降低，导致了信号完整性问题变得更为严重，可能严重影响设计的功能正确性。 若在电路板设计时不考虑其影响，逻辑功能正确的电路在调试时往往也会无法正 常工作。并且设计人员用来解决信号完整性问题和设计新产品的时间也日益缩短。 产品设计人员将件产品投入市场只有一次机会，所以该产品必须第一次就能运 行成功。 这时就体现了信号完整性分析的作用，信号完整性的分析在整个的设计流程中 占据着至关重要的地位，如何利用信号完整性的分析方法打造更高效的产品设计、 采用何种仿真工具去实现信号完整性的分析、并利用先进的e d a 技术实现仿真自 动化成为了业界普遍的呼声。 进行信号完整性的分析要用到信号仿真工具，虽然现有的信号完整性仿真工具 具有强大的功能，但还是存在些不完善的地方，仿真过程自动化程度不高，对于 设计人员的依赖性很大。以c a d e n c e 的s p e c c t r a q u e s t 为例：仿真工具每次只能 对一个网络进行一种类型的仿真，不能够一次设置完成多个网络的多种仿真；没有 提供仿真设置的保存功能，如果需要修正网络参数再次仿真时要重复仿真设置。在 仿真的整个过程中需要人不离机，而且仿真完成后，设计人员还需要花费很多精力 去编写仿真分析报告( 包括截图、制表等许多繁琐的操作) ，造成时间和人力的很 大浪费。 本课题就是针对实际设计分析中的这种情况，提出了仿真过程自动化的需求。 根据需求对现有e d a 信号完整性仿真工具进行二次开发，设计师可以一次性设置 好单板电路上所有关键网络的各种仿真条件及控制条件，然后软件控制仿真工具自 动进行信号完整性仿真，并分析结果，整理仿真数据形成份完善、清晰和规范的 仿真分析报告，中间的仿真过程不再需要人工干预。这样就把设计师从重复性、体 力性的工作中解放出来，让设计师的工作更多放在分析和解决s i 问题上，更有效地 提高设计的效率，节省人力、成本，缩短产品设计周期，加快产品的上市步伐。 论文的章节安排： 围绕信号完整性仿真自动化科研项目，论文共分五章来叙述： 第一章对信号完整性的基本问题反射进行建模并且推导出一些有用的规律，并 总结了解决反射问题的端接策略。 2 基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 第二章论述了c 知e n c c 软件仿真流程，并且提出了基于e d a 的信号完整性仿真 平台方案。 第三章详细介绍了用户客户端模块中的关键技术。 第四章详细介绍了调用仿真工具模块中的关键技术。 第五章介绍了项目中的其他的关键技术，对s i s a 开发情况进行了总结。 第一章信号完挚性摹本理论 第一章信号完整性基本理论 1 1 信号完整性介绍 过去，时钟频率只有i o m h z 。电路板或封装设计的主要挑战就是如何在双层 板上命通所有的信号线以及如何在组装时不要破坏封装。由于互连线不曾影响系 统性能，所以互连线的电气特性并不重要。在这种意义下，我们说“对信号束讲 过去的互连线是畅通透明的”。 现在时钟频率已提高，信号上升边也已普遍变短。对大多数电子产品而占， 当时钟频率超过i o o m h z 或上升边小于i n s 时，信号完整性效应就变得重要了， 通常被称之为高频领域或高速领域。这些术语意味着在那些互连线对信号不再透 明的产品与系统中，如果不小心就会出现一种或多种信号完整性问题。 从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题。它 主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时，其电气特性参数如何影 响产品的性能。对于互连线对一般高速问题的影响，其中大部分为噪声问题。信 号完整性噪声问题可以归结为以下四种类型： 1 单一网络的信号质量：在信号路径或返回路径上由于阻抗突变引起的反射 与失真： 2 两个或多个网络问的串扰：理想返回路径以及非理想返回路径情况下的互 电容、互也感； 3 电源和地分配系统中的轨道塌陷：在地电源网络中阻抗上的压降； 4 来自元件或系统的电磁干扰和辐射。 这些问题在所有的互连线中都起作用，小到芯片中的连线，大到板级连接电 缆和任何位置问的互连线。原理和效应是一样的，各个物理结构的不同之处就是 具体的几何特征尺寸和材料特性f l o 】。 1 2 反射理论 网络足由电子系统中所有连接在一起的会属组成。例如从时钟芯片的输h 引 脚引h 的线条与其他三个芯片连接。连接这u u 个引脚的每条会槲就可以看作足属 于同一州络。另外，网络4 i 仅包括信号路径，还包扦信号电流的返叫路径。单一 网络的信号质量与信号路径和返dq 路狰的物删特符都育很人关系。图1 1 给m 了一 个电路板j ：的州钟线( c l o c k ) 。 4 基丁s k i l l 的c a d e n c e 软f 1 二次开发技术在信号完绐性仿寅中的府_ l c p m l a - i 】n p u f 图1 1 一块电路板上的时钟线网络 当信号从驱动源输出时，构成信号的电流和电压将互连线看成一个阻抗网络。 当信号沿网络传播时，它不断感受到互连线引起的瞬态阻抗变化。如果信号感受 到的阻抗保持不变，则信号就保持不失真。然而，一旦阻抗发生变化，信号就会 在变化处发生反射，并在通过互连线的剩余部分时发生失真。这可能是在线末端， 或者是互连线拓扑结构发生改变的任何地方，如拐角、过孔、t 型结构、接插件和 封装处。如果阻抗改变程度足够大，失真就会导致错误的发生。我们以图1 2 所示 的理想传输线模型柬分析与信号反射有关的重要参数。 a p 一8 、 1 一、 一 、，、“ 一 1 谶 幽1 2 理想传输线枚掣 第一章信号完整性基本理论5 图1 2 中，理想传输线l 被内阻为r 0 的数字信号驱动源v s 驱动，传输线的特 性阻抗为z o ，负载阻抗为r l 。理想的情况是当r o = z o = r l 时，传输线的阻抗是连 续的，不会发生任何反射，能量一半消耗在源内阻r 0 上，另一半消耗在负载电阻 i u 上( 传输线无直流损耗) 。如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗，那么负载端多余 的能量就会反射回源端，由于负载端没有吸收全部能量，故称这种情况为欠阻尼。 如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，负载试图消耗比当前源端提供的能量更多 的能量，故通过反射来通知源端输送更多的能量，这种情况称为过阻尼。欠阻尼 和过阻尼都会引起反向传播的波形，某些情况下在传输线上会形成驻波。当z o = r l 时，负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，这种情况称为临界阻 尼。从系统设计的角度来看，由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠适用的方 式是轻微的过阻尼，因为这种情况没有能量反射回源端。 负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端( b 点) 反射一部分信号回源端( a 点) ，反射电压信号的幅值由负载反射系数p ：决定，见式( 1 1 ) ： =精0-1)pl。花 可见，一1 s p ：5 + 1 ，并且当r l = z o 时，p ：= o ，这时就不会发生反射。只要 根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅 度可以大到入射电压的幅度，极性可正可负。当r l o 。，处于欠阻尼状态，反射波极性为正。 当从负载端反射回的电压到达源端时，又将再次反射回负载端，形成二次反 射波，此时反射电压的幅值由源反射系数p 。决定，见式( 1 2 ) ： 几；i r 刀o - z i o 0 - 2 ) 反射是造成过冲、下冲和振荡的直接原因，是一般信号完整性问题最常见的 表现，如何通过分析采用终端阻抗匹配等各种措施来消除或减小反射效应。 1 3 降低反射的方法 最简单的传输线电路由近端驱动器、短的可控阻抗互连线和远端接收器组成。 如前所述，信号将在远端高阻抗开路端和近端低阻抗驱动器之间来回反弹。当导 线很长时，多次反射引起信号完整性问题，一般将其归结为振铃的范畴。如果导 线足够短，虽然依旧发生了反射，但它们被上升或下降沿掩盖住了，可能不会引 起问题。图1 3 给出了5 0 欧姆传输线的时延分别为信号上升时间2 0 、3 0 和4 0 时的接收端波形。 6 基于s k i l l 的c a d e n e e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 点定： 0240，ot 2 1 8 t 嘶。n s e c 图1 3 无终端端接传输线远端的1 0 0 m h z 时钟信号波形 当互连线时延为0 1 n s 时，所有的反射都将发生，它们每0 2 n s ( 即往返时间、 完成一个来回振荡。如果时延远小于上升时间，那么多次反射将被掩盖在上升沿 中，几乎不能辨认，也就不能引起潜在的问题。根据上图可以粗略地估计出，当 时延小于上升时间2 0 时，反射几乎是看不见的，但如果超过2 0 ，振铃就开始 有明显的作用效果。 从而得到一个十分有用的经验法则：为了避免信号完整性问题，没有终端端 接的传输线的最大长度大约为： 绷一r 丁( 1 - 3 1 其中： 研。没有终端端接的传输线的最大长度，单位英寸 r t 信号上升时间，单位璐 如果上升时间是l n s ，没有终端端接的传输线最大长度约为1 英寸。如果上升 时间为0 1 n s ，则最大长度为0 1 英寸。我们将发现，对于确定何时振铃噪声会有 严重的影响，这是一个非常重要的经验法则。同时，这也是为什么信号完整性问 题近年来变得越来越重要，而旧的生产工艺中却可以避免的原因。 现在产品的形式没有变，互连线长度也没有变，但信号上升时日j 却减小了。 我们有了上升时间很短、频率很高的时钟信号，所以电路板上几乎所有的互连线 长度不可避免地都大于没有终端端接的传输线最大长度，终端端接因此变得很重 要。 目前，信号上升时间下降至0 2 5 n s ，为了避免振铃噪声造成大的影响，没有终 端端接传输线的最大长度大约为0 2 5 英寸。但是几乎所有互连线的长度都大于这 第一章信号完整性基本理论7 个值，所以对于目前和未来的所有产品，端接策略是必须的。 传输线的端接通常采用两种策略：( 1 ) 使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行 端接；( 2 ) 使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。即如果负载反射系数或源反 射系数二者任一为零，反射将被消除。从系统设计的角度，应首选第一种策略， 因其是在信号能量反射回源端之前在负载端消除反射，即使n ：0 ，因而消除一次 反射，这样可以减小噪声、电磁干扰及射频干扰，而第二种策略则是在源端消除 由负载端反射回来的信号，即使p 。10 和p l 一1 ( 负载端不加任何匹配) ，只是消除 二次反射，在发生电平转移时，源端会出现持续时间为2 t d 的半波波形，不过由 于策略一实现简单方便，在许多应用中也被广泛采用。 1 3 1 单负载网络的端接策略 1 、源端串联端接 是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻r s ( 典型1 0 q 到7 5 q 1 到传输 线中来实现的，如图1 4 所示。串行端接是匹配信号源的阻抗，所插入的串行电阻 阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗( 轻微过阻尼) 。即 z 0 r s 广 图1 4 源端串联端接方法 这种策略通过使源端反射系数为零从而抑制从负载反射回来的信号( 负载端输 入高阻，不吸收能量1 再从源端反射回负载端。 串行端接的优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消 耗功率小。当驱动高容性负载时可提供限流作用，这种限流作用可以帮助减小地 弹噪声。串行端接的缺点在于：当信号逻辑转换时，由于r s 的分压作用，在源端 会出现半波幅度的信号，这种半波幅度的信号沿传输线传播至负载端，又从负载 端反射回源端，持续时间为2 t d ( t d 为信号源端到终端的传输延迟) ，这意味着沿传 输线不能加入其它的信号输入端，因为在上述2 t d 时间内会出现不正确的逻辑态。 并且由于在信号通路上加接了元件，增加了r c 时间常数从而减缓了负载端信号的 上升时间，因而不适合用于高频信号通路( 如高速时钟等) 。 2 、远端并联端接 这种端接方式是简单地在负载端加入一下拉电阻砖( r ，tz 。) 来实现匹配，如 8 基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 图1 5 所示。采用此端接的条件是驱动端必须能够提供输出高电平时的驱动电流以 保证通过端接电阻的高电平电压满足门限电压要求。在输出为高电平状态时，这 种并行端接电路消耗的电流过大，对于5 0 q 的端接负载，维持t r l 高电平消耗电 流高达4 8 m a ，因此一般器件很难可靠支持这种端接电路。 压 图1 5 远端并联端接方法 3 、远端戴维宁( t h e v e n i n ) 端接 v c c 图1 6 远端戴维宁端接方法 戴维宁( t h e v e n i n ) 端接即分压器型端接，如图1 6 示。它采用上拉电阻r 1 和下 拉电阻r 2 构成端接电阻，通过r l 和r 2 吸收反射。r l 和r 2 阻值的选取由下面的条 件决定。r l 的最大值由可接受的信号的最大上升时间( 是r c 充放电时间常数的函 数) 决定，r ，的最小值由驱动源的吸电流数值决定。r 2 的选择应满足当传输线断开 时电路逻辑高电平的要求。戴维宁等效阻抗可表示为： b 。面r i r 2 = - ( 1 - 4 ) 这里要求r t 等于传输线阻抗z 0 ，以达到最佳匹配。此端接方案虽然降低了对 源端器件驱动能力的要求，但却由于在v c c 和g r o u n d 之间连接的电阻r 1 和r 2 从 而一直在从系统电源吸收电流，因此直流功耗较大。 4 、远端主动并行端接 在此端接策略中，端接电阻r t ( r - r = z o ) 将负载端信号拉至一偏移电压v b i a s ， 如图2 7 所示。v b i a s 的选择依据是使输出驱动源能够对高低电平信号有汲取电流 能力。这种端接方式需要一个具有吸、灌电流能力的独立的电压源来满足输出电 压的跳变速度的要求。在此端接方案中，如偏移电压v b m s 为正电压，输入为逻辑 低电平时有d c 直流功率损耗，如偏移电压v b i a s 为负电压，则输入为逻辑高电平 第一章信号完整性基本理论9 时有直流功率损耗。 5 、远端r c 端接 广 图1 7 远端主动并行端接方法 一 刊 一 ：c 广 严 如图1 8 所示，并行a c 端接使用电阻和电容网络( 串联r c ) 作为端接阻抗。端 接电阻r 要小于等于传输线阻抗z 0 ，电容c 必须大于1 0 0 p f ，推荐使用0 1u f 的 多层陶瓷电容。电容有阻低频通高频的作用，因此电阻r 不是驱动源的直流负载， 故这种端接方式无任何直流功耗。 1 3 2 多负载网络端接策略 在实际电路中常常会遇到单一驱动源驱动多个负载的情况，这时需要根据负 载情况及电路的布线拓扑结构来确定端接方式和使用端接的数量。一般情况下可 以考虑以下两种方案：多负载串行端接和多负载并行端接。 广 图1 9 多负载间距离较近的串行端接方法 1 0基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 图1 1 0 多负载间距离较近的并行端接方法 如果多个负载之间的距离较近，可通过一条传输线与驱动端连接，负载都位 于这条传输线的终端，这时只需要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线 源端加入一串行电阻即可，如图1 9 所示。如采用并行端接( 以简单并行端接为例) ， 则端接应置于离源端距离最远的负载处，同时，线网的拓扑结构应优先采用菊花 链的连接方式，如图1 1 0 所示。 如果多个负载之间的距离较远，需要通过多条传输线与驱动端连接，这时每 个负载都需要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线源端每条传输线上均 加入一串行电阻，如图1 1 1 所示。如采用并行端接( 以简单并行端接为例) ，则应在 每一负载处都进行端接【1 3 】，如图1 1 2 所示。 广_ 图1 1 1 多负载间距离较远的串行端接方法 图1 1 2 多负载问距离较远的并行端接方法 1 3 3 不同工艺器件的端接策略 上面讨论的端接策略没有考虑器件工艺的不同，对于不同工艺器件由于其驱 第一章信号完整性基本理论1 1 动电压以及内阻的差异，只有针对具体情况，使用正确适当的端接方法才能有效 地减小信号反射。一般来说，对于一个c m o s 工艺的驱动源，其输出阻抗值较稳 定且接近传输线的阻抗值，因此对于c m o s 器件使用串行端接技术就会获得较好 的效果。而1 1 l 工艺的驱动源在输出逻辑高电平和低电平时其输出阻抗有所不同， 这时，使用并行戴维宁端接方案则是一种较好的策略。e c l 器件一般都具有很低 的输出阻抗，因此，在e c l 电路的接收端使用一下拉端接电阻( 下拉电平需要根据 实际情况选取) 来吸收能量则是e c l 电路的通用端接技术。 当然，上述方法也不是绝对的，具体电路上的差别、网络拓扑结构的选取、 接收端的负载数等都是可以影响端接策略的因素，因此在高速电路中实施电路的 端接方案时，需要根据具体情况通过分析仿真来选取合适的端接方案以获得最佳 的端接效果。 第二章基于c a d e n c ee d a 信号完整性仿真自动化方案设计 第二章基于c a d e n c ee d a 信号完整- 眭仿真自动化方案设计 在高速电路设计中，仿真分析越来越显示出优越性。它给设计者以准确、直 观的设计结果，便于及早发现问题，及时修改，从而缩短设计时间，降低设计成 本。因此为了有效地进行仿真分析必须遵循一定的仿真分析策略。 本章首先通过基于信号完整性的设计流程得出信号完整性分析在现代p c b 设 计中的重要性。接下来旨在提高电路设计的效率，提出了基于e d a 的信号完整性 仿真自动化平台，并且对平台的方案设计给出了详细的介绍。 2 1 信号完整性仿真自动化方案的提出 2 1 1 基于信号完整性的p c b 设计流程 基于信号完整性分析的p c b 设计流程如图2 1 所示。 图2 1 基于信号完整性的p c b 设计流程 在p c b 板设计之前，首先建立高速数字器件的信号完整性模型，目前根据不同 仿真器有多种模型类型供选择，仿真模型一般可以在芯片提供商网站获取。利用 仿真模型对信号完整性问题进行一系列的预分析，根据仿真计算的结果选择合适 的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计的依据。在电路的设计过程 中，将设计方案送交s i 模型进行信号完整性分析，并综合元器件和p c b 板参数的 公差范围、p c b 版图设计中可能的拓扑结构和参数变化等因素，计算分析设计方案 的解空间。在电路设计完成后，各高速数字信号应该都具有一个连续的、可实现 的解空间。即当p c b 及元器件参数在一定的范围内变化、元器件在p c b 板上的布局 1 4 基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 以及信号线在p c b 板上的布线方式具有一定的灵活性的情况下，仍然能够保证对信 号完整性的要求。 将预分析获得的各信号解空间的边界值作为版图设计的约束条件，以此作为 p c b 版图布局、布线的设计依据。在p c b 版图设计过程中，将部分完成或全部完成 的设计送回s i 模型进行设计后的信号完整性分析，以确认实际的版图设计是否符 合预计的信号完整性要求。若仿真结果不能满足要求，则需修改版图设计甚至电 路设计，这样可以降低因设计不当而导致产品失败的风险。在p c b 设计完成后，就 可以进行p c b 板制作。p c b 板制造参数的公差范围应在信号完整性分析的解空间的 范围之内。当p c b 板制造好后，再用仪器进行测量调试，以验证s i 模型及s 1 分析 的正确性，并以此作为修正模型的依据。在s 1 模型以及分析方法正确的基础上， 通常p c b 板不需要或只需要很少的重复修改设计及制作就能够最终定稿，从而可以 缩短产品开发周期，降低开发成本。 基于信号完整性的p c b 设计能够在设计期间预测制板后的噪声问题，通过仿 真获得带有一定裕度的解空间，允许p c b 板制造中的误差。可见，基于信号完整 性的p c b 设计必将成为新的趋势。 2 1 2c a d e n c ee d a 信号完整性仿真中的“自动化”问题 目前比较流行的信号完整性仿真软件有：c a d e n c e 公司的高速系统板级设 计工具s p e c c t r a q u c s t 和s i g x p l o r c r ；a n s o f t 公司的仿真工具s l w a v e ：m e n t o r g r a p h i c s 公司的h y p e r l y n x 等。基本上所有的仿真工具都可以仿真包括串扰、反射、 地弹、电磁干扰在内的大部分信号完整性问题。然而每种工具的侧重点却不一样， 例如a n s o f t 公司的仿真工具从三维场求解的角度出发对p c b 设计的信号完整性问 题进行动态仿真，而c a d e n c e 的仿真工具则是基于传输线的建模完成信号完整性 分析的。 由于c a d e n c ee d a 开发平台功能的完备性，在国内有着更高的占有率。本文 的信号完整性自动化平台便是在c a d e n c ee d a 基础上构建的。不过由于采用了可 扩展的框架设计，将来可以根据需要把其他公司的仿真工具加入到本平台中。 s p e c c t r a q u e s t 和s i g x p l o r e r 都可以进行信号完整性分析，它们都使用仿真 引擎s i g n o i s e 完成仿真，但是它们之间的侧重点不一样。在s p e c c t r a q u e s t 进行 信号完整性仿真一般都是“批量”仿真：仿真人员选取多个关键网络甚至是该p c b 上的所有网络，设定仿真类型，如放射、延时、振铃、同步开关噪声等，设定攻 击网络属性，设定激励类型，最后点击“c r e a t er e p o r t ”则会生成一份包括所有结 果信息的文本文件( 输出报告设置对话框如图2 2 所示) l 埘。通过“批量”仿真，仿 真人员可以快速的发现问题网络，以便于后面的“重点”仿真。 第二章基于c a d e n c ee d a 信号完整性仿真自动化方案设计 图2 2a l l e g r o 软件中的输出报告设置对话框 接下来，仿真人员会对问题网络和关键网络继续仿真，但是这时需要利用的 是s i g x p l o r e r 。仿真人员选中一个待仿真的网络，然后选择“v i e wt o p o l o g y ”命 令，这样就会提取该网络的拓扑信息，然后启动s i g x p l o r e r 并且以图形的形式显 示该网络的拓扑关系，如图2 3 所示。接下来在s i g x p l o r e r 环境中，根据网络类型 和端接类型调整拓扑图上元器件的参数，通过仿真测试得到元器件参数的最佳值， 这些元器件通常是对应着p c b 中的布线或者匹配电阻。最后仿真人员记录该信息， 作为后面布局布线的限制条件【1 7 1 。由于每次只能仿真一条网络，因此需要仿真人 员循环使用此方法对所有的关键网络进行仿真。最后利用这些限制条件可以修改 p c b 的布局布线，达到在设计阶段解决信号完整性问题的目的。 可以看出，两个软件都能够进行信号完整性仿真，使用s p e c 嘣q u e s t 总体 仿真可以很方便的生成报告，但是不足之处是不能修改拓扑结构关系。而使用 s i g x p l o r e r 进行仿真可以对网络的拓扑关系进行修改，但是每次只能针对一个网络 进行仿真。这样如果需要仿真的网络很多时，就会非常耗时。典型高速板设计中 受约束线网的数量已经从占总线网的2 5 激增到7 5 以上，因此网络的单独仿真 的任务是非常重的。 基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 图2 3s i g x p l o r e r 中显不网络的拓扑结构图 根据上面介绍的c a d e n c ee d a 的信号完整性仿真步骤，可以得到仿真流程图 如图2 4 所示。从该流程图中可以清楚地看出。仿真人员要不断的穿梭于两个仿真 软件之间，并且还要等待拓扑图提取和仿真结束，在完成了本次仿真之后才能进 行下一个网络的仿真，而且还要人为的保存仿真结果，人为的书写报告文档。所 以实际上仿真人员使用该软件进行仿真可谓是既费时，又费力。 通过使用s i g x p l o r e r 进行信号完整性仿真流程可以看出，软件本身存在一些 不足： 每次只能进行一种类型的仿真，不能“批量”仿真。 对于仿真设置信息没有保存功能，不便于日后察看。 仿真结果信息零散，这些信息主要指仿真波形图和仿真指标结果，不利于 仿真人员的管理。 由于只能进行单个网络仿真，没有自动报告输出功能。 第二章基丁二c a d e n c e e d a 信号完整性仿真自动化方案设计1 7 图2 4c a d e n c ee d a 信号完整性仿真流程 可见仿真人员使用c a d e n c ee d a 进行信号完整性仿真非常不“自动化”，仿 真人员必须寸步不离计算机进行仿真操作，为了能够让信号完整性仿真更加高效， 就有必要对c a d e n c ee d a 进行二次开发来解决现有软件中所存在的问题。 2 2 基于c a d e n c ee d a 信号完整性仿真自动化方案设计 针对c a d e n c ee d a 进行信号完整性仿真的不足，于是便提出了基于c a d e n c e e d a 的信号完整性仿真自动化平台s i s a ( s i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i o n a u t o m a t i z a t i o n ) ，该平台针对c a d e n c e 的最新集成开发环境a l l e g r os p b1 5 5 。下 面介绍该项目的方案设计。 针对上面所述的问题，便确定了s i s a 软件的功能需求： 并行输入仿真设置信息 自动调用a l l e g r o 提取网络的拓扑图 自动修改拓扑图上元器件的仿真参数 自动调用s i g x p l o r e r 进行仿真 自动输出包括各种仿真结果信息的报告文档 又由于统一管理问题、资源问题和效率问题，如果设置完一批网络都在用户 1 8基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 终端来进行仿真，虽然用户在仿真过程中不用再设置仿真信息，但仿真过程又会 占用用户电脑资源，若是晚上进行仿真，又有一定时间上的局限性，不能随时对 关键网络进行仿真，所以本课题应用户需求分为客户端和服务器端。客户端负责 仿真条件的输入，服务器端专门用来仿真【1 8 1 。 2 2 1s i s a 客户端设计 前文指出，通过c a d e n c ee d a 进行信号完整性仿真的一个问题就是没有提供 网络的仿真设置信息的保存功能，不便于用户以后的查看以及仿真设置信息的修 改。因此需要提供一种方案来解决这个问题。首先想到的是提供一个单独的文件 来存储所有网络的仿真设置信息，但是由此带来了额外的文件管理工作，同时使 得设计文件和仿真设置文件分离，也不利于文件的归档。于是想到将仿真设置信 息保存到p c b 设计文件，但在c a d e n c e 中p c b 设计文件是二进制文件，无法通 过程序直接对其进行读写操作。然而正如前文指出的，通过s k i l l 语言访问p c b 设计文件的所有内容，并且还可以通过s k i l l 向其中添加用户自定义信息，所以 使用s k i l l 来存储仿真设置信息。 客户端主要的功能为仿真设置信息的输入，有单独的仿真条件输入界面。用 户挑选需要设置的网络，输入仿真信息，点击保存，这些条件信息就被存放到p c b 设计文件+ b r d 中。生成新的p c b 设计文件后，将其传送到服务器上。客户端完全 是由s k i l l 语言来编写的，功能嵌入到了c a d e n c ee d a 设计工具中。图2 5 是客 户端与p c b 设计工具数据流关系1 1 9 1 。 ( 二二) 外部对象 _ 数据流 竖 。山瞅皂竺l 鬯 目 f 1 瞄盆。j 仿真设置 数据结构 两络名及 属性信息 外部模块 内部模块 s i s a 客户 端 设置过仿真、 信息的b i d 、兰竺 图2 5 客户端与p c b 设计工具数据流关系 第二章基于c a d e n c e e d a 信号完整性仿真自动化方案设计1 9 2 2 2s i s a 服务器端设计 在s i s a 客户端生成新的p c b 设计文件后，用户就会将其传送到s l s a 服务器 上，而服务器上需要有一个实时检测的功能来检测用户传过来的设计文件，一检 测到就会进行仿真条件的读取、仿真和报告输出。 根据功能需求可以确定s i s a 服务器端与外部软件的接口描述关系，如图2 6 所示，其中立方体状的模块表示接口模块，这些模块负责完成s i s a 服务器端与外 部软件的通信功能，包括和a l l e g r o 、s i g x p l o r c r 、m i c r o s o f tw o r d 三个软件。其中 与w o r d 的通信功能可以利用m i c r o s o f to f f i c e 软件所支持的a u t o m a t i o n 技术实现， 实际上a u t o m a t i o n 技术是一项非常有价值的软件功能复用技术，关于该技术会在 后面的章节详细介绍。然而由于c a d e n c e e d a 软件a l l e g r os p b l 5 5 目前并不支持 a u t o m a t i o n 技术。因此，就必须利用其他的途径实现它们间的通信功能，经过对 c a d e n c e 仿真工具的研究，最终采用其内置的功能扩展语言s k i l l 作为桥梁实现 通信功能。 图2 6 s i s a 服务器端与外部软件接口关系 根据s i s a 的功能需求以及外部接口关系，需要对软件进行模块划分。在服务 器端s i s a 要调用c a d e n c ee d a 的相关工具，因此需要调用仿真工具模块完成该功 能；仿真结束后要能够自动生成报告文档，因此报告输出模块是必需的；同时软 件需要提供一个察看自身异常的功能，这就需要日志模块来生成日志文件；最后 各个模块不能独立运行，必须需要调度监控模块把所有模块连接起来，才能使整 个系统运转。 综上所述，s i s a 服务器划分的四个模块分别是：调度监控模块，报告输出模 块，e l 志模块，调用仿真工具模块。 基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 2 3s i s a 中涉及到的关键技术 根据c a d e n c ee d a 信号完整性仿真流程以及对于s i s a 的自动化需求，可以 确定s i s a 的内部流程图，如图2 7 所示。 图2 7s i s a 软件内部执行流程 从图2 7 可以看出整个流程是由输入仿真条件开始的，用户把仿真条件信息输 入到p c b 设计文件中，然而c a d e n c e 的设计文件是不可读的二进制文件，所以如 第二章基于c a d e n c ee d a 信号完整性仿真自动化方案设计2 1 何把仿真条件保存到设计文件中就涉及到了仿真设置信息的存储技术。 该流程图中并没有显式地出现调度监控模块，然而调用仿真工具模块在整个 软件开发中是一个非常重要的模块，因为s i s a 软件的所有与c a d e n c ee d a 工具交 互的功能都必须通过该模块实现，所以如果该模块设计不好，就会成为整个软件 的瓶颈，势必会增加整个系统的开发以及维护的难度。丽且判断仿真工具的执行 过程中的异常情况、以及结束标志都是调用仿真工具模块的功能。 日志模块没有出现在流程图中，并不是实际中没有应用它，而是因为其他所 有的模块都要调用该模块进行日志文件的书写，所以流程图中省略了这部分的描 述。 报告自动输出功能是项目的一个重要功能，可以说仿真人员进行仿真的目的 就是为了能够生成一份包括所有仿真条件及结果的报告文档。在这份报告文档中 包括网络的拓扑图和仿真的波形图，也就引出了两个子模块；拓扑图绘制子模块 和波形图绘制子模块，其中利用了矢量图绘制技术。 最后，可以看出调度监控模块不但要对其他的各个模块进行调用，使它们能 联合成一个整体，还要根据仿真设置信息自动对拓扑结构进行修改，可以说仿真 自动化的意义就在于此，正是通过该模块才使得仿真人员从琐碎的仿真的条件设 置工作中解脱出来1 2 0 1 。 第三章s i s a 的客户端实现 第三章s i s a 的客户端实现 s i s a 客户端完成的功能是把p c b 设计文件* b r d 文件中的所有网络名称提取 出来，支持用户鼠标点选网络。以便让用户选取网络对应进行仿真条件和控制条 件的设置。接收用户设置的仿真信息和控制信息。对用户输入的每个网络的仿真 信息和控制信息进行处理，如果信息合理，则写入到b r d 文件的网络属性中，否 则给出提示。该模块把用户设置的仿真信息和控制仿真信息写入到，b r d 文件属性 中。 该模块完全是由s k i l l 语言编写的，是嵌入到p c b 设计工具中的是单独的运 行在客户端。本章将对其中的主要技术进行详细的说明。 3 1 1s k i l l 语言介绍 3 1 开发语言s k i l l c a d e n c e 公司开发的s l l 语言，是一种基于当今很受欢迎的人工智能语言 l i s p 发展而来，语法上更类似于c 语言。s k i l l 是一种解释性语言，使用该语言 开发的程序必须提交给s k i l l 解释器才能运行。用户可以通过窗口、菜单、组合 键和c a d e n c e 的命令输入窗口等来完成提交工作如图3 1 所示： 图3 1s k i l l 程序执行方法 从图3 1 可以看出，在c a d e n c e 中调用任何一个菜单命令、或者在命令输入窗 中输入任何一个命令都会激活一段s k i l l 的程序来完成所要求的功能。s k i l l 语 言允许用户根据需要快速和轻松地定制和扩展现有的软件环境：它提供一个安全 的、高级的编程环境，可以自动处理许多传统的系统编程操作，如内存管理；s k i l l 编写的程序无须编译即可立即在c a d e n c e 环境运行。 在以往的开发中内存管理一项是延误进度的最普遍的原因。s k i l l 的自动存储 2 4基于s k i l l 的c a d e n c e 软件二次开发技术在信号完整性仿真中的应用 器管理使开发者从繁重的程序存储管理操作中解脱出来，而全心的投入到算法的 研究，也可以更加灵活控制开发的迸度。s k i l l 语言也可以控制易于出错的系统编 程任务，例如：列表管理和复杂的特殊情况控制，这样就使开发者把精力集中在 算法或者接口设计的细节。由于程序的简明，其可维护性会大大增强。 s k i l l 可以访问系统设计数据库，如原理图、符号图、电路版图，设置和修 改其中的参数，并且可以编写具有一定功能的菜单命令，以改善c a d e n c e 软件的 功能。同时s k i l l 也提供函数实现c a d e n c e 软件界面操作的功能，可以完成软件 中的文件命令、视图命令、仿真命令等。同时考虑到单一语言的功能的局限性， s k i l l 提供进程间通信函数集以支持与c 语言之间的通信，这样就可以利用c 语 言强大字符及数值处理函数来完成在s k i l l 中难以完成的任务。而且利用v c 可 以轻松的编写出各种复杂的操作界面，使得用s k i l l 开发的新功能具有更好的操 作性。 通过上述描述可以看出s k i l l 作为c a d e n c e 软件的内置开发语言，可以实现 对该软件的操作和控制，所以s k i l l 作为实现调用c a d e n c e 软件的工具是完全胜 任的，图3 2 是基于s k i l l 语言功能描述示意图： 图3 2s k i l l 功能示意图 s k i l l 语言中的函数分大致为以下几类： 1 基本函数：包括数学运算，数据类型转换，字符操作，循环控制等。 2 针对a l l e g r o 的函数：这部分函数都己“a x l ”前缀作为开头。通过他们可以 轻松访问和控制p