（计算机科学与技术专业论文）高速多板系统信号完整性建模与仿真技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 电子设计领域的快速发展，使得由集成电路构成的电子系统正朝着大规模、小体积和 高速度的方向发展，如何解决系统以及p c b 板的信号完整性问题已经成为高速电子系统设 计能否成功的关键。 本文对板级信号完整性关键因素、传输线模型及其高频效应、反射与串扰、高速串行 数据传输s e r d e s 基本架构和高速信号仿真模型结构进行了深入的研究。在提出理论方法 的基础上，对多种过孔和差分过孔进行建模和参数优化，并对仿真结果进行了频域和时域 上的分析。为了达到精度和速度的平衡，本文在高速电路分析和仿真中将“场”“路结 合的方法贯彻至终。研究的模型不仅有时域电路模型，如i ob u f f e r 的s p i c e 和i b i s 模型， 还有频域的电磁场模型，如背板连接器的s 参数模型，并通过仿真验证了模型的正确有效 性。最后使用测试电路板建立多板仿真模型，并对关键网络进行实际的仿真分析，为高性 能计算机等大型电子系统的p c b 设计仿真进行了有益的探讨。 本文的创新之处和研究成果主要包括： ( 1 ) 针对过孔的s t u b ( 短柱) 效应，使用3 d 电磁场全波仿真工具对多种结构的过孔 和差分过孔进行了建模，具体分析了过孔的反钻技术( b a c k d r i l l i n g ) 、差分过孔、带保 护地孔的过孔( 差分过孔) 的频响特性，以及对高频传输的影响。 ( 2 ) 实现了基于电磁场s 参数的时域频域混合仿真技术，完成电磁仿真工具中使用 频域模型( s 参数模型) 对多板进行时域仿真，得到时域仿真结果( 如眼图等) 。 ( 3 ) s e i m e s 高速串行信号驱动( b u f f e r ) 模型的分析研究，研究分析了串行电路驱 动( b u f f e r ) 模型的原理及结构图，并实际应用某公司高速串口b u f f e r 的s p i c e 电路模型 作为输入输出驱动器进行多板仿真。 ( 4 ) 针对集总参数模型误差大的缺点，用实验电路板搭建了多板仿真环境，提取并 使用了差分过孔和g b x 连接器的精确参数模型，实现了高精度的3 1 2 5 g b p s 高速s d r d e s 多板仿真。 主题词：传输线，特性阻抗，信号完整性，电源完整性，连接器，过孑l ，高速串行传 输，i b i s ，s p i c e ，多板分析，电路仿真 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r o n i cd e s i g nt e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r o n i cs y s t e m s c a l eh a sb e e nb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r ，t h es p e e db e c o m i n gm o r ea n dm o r er a p i d ，t h eb u l k b e c o m i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r a n dh o w t os o l v et h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e mh a sb e c o m eo n eo f t h ek e yf a c t o r si nt h eh i g h s p e e dd i g i t a ls y s t e md e s i g na n dt h eh i g h s p e e dp c b d e s i g n i nt h i st h e s i s w eh a v ed e e p l yr e s e a r c h e dt h ek e yf a c t o r so ft h eb o a r d 1 e v e ls ii s s u e t h e t r a n s m i s s i o nl i n em o d e la n di t sh i g hf r e q u e n c ye f f e c t s t h er e f l e c t i o na n dt h ec r o s st a l k t h e f r a m e w o r ko ft h es e r d e sa n dt h em o d e lf o rt h eh i g h s p e e ds i m u l a t i o n a f t e rd i s c u s s i n gt h e t h e o r e t i c a lm e t h o d t h ev i a sa n dt h ed i f f e r e n t i a lv i a sh a v eb e e nm o d e l e da n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e d i no r d e rt oa c h i e v et h eb a l a n c eb e t w e e nt h ep r e c i s i o na n dt h es p e e d ， w ec o m b i n et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm e t h o dw i t ht h ec i r c u i tp a t ha n a l y s i st os i m u l a t et h ep c b a n di t sf e a t u r e i nt h i st h e s i s t h ee l e c t r i cc i r c u i tm o d e l i nt i m ed o m a i nl i k ei ob u f f e rs p i c ea n d i b i sm o d e lh a sb e e nd i s c u s s e d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e li nt h ef r e q u e n c yr a n g es u c ha ss p a r a m e t e rm o d e lo ft h em o t h e r b o a r dc o n n e c t o ri sa l s op r e s e n t e d a n da l lt h eu s i n gm o d e l sh a v e b e e nc o n f i r m e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n a sar e s u l t o ft h ee x p e r i m e n tp c b s t h em u l t i b o a r d s s i m u l a t i o nh a sb e e nb u i l t a n dt h ek e ys e r d e sn e t w o r k so np c bh a v eb e e ns i m u l a t e da n d a n a l y z e d a l lo f t h a tw o r ki sag o o de x p l o r ef o rh i g h - s p e e dp c bd e s i g no fk e y p r o je c t t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) i nv i e wo ft h es t u be f f e c to ft h ev i ao np c b ，t h ev i a sa n dt h ed i f f e r e n t i a lv i a si nm a n y k i n d so fs t r u c t u r e sh a v eb e e nm o d e l e db v3 de l e c t r o m a g n e t i cf i e l df u uw a v es i m u l a t i o nt 0 0 1 t h ef r e q u e n c y r e l a t e dc h a r a c t e r i s t i co ft h ev i a sa n dt h ed i f f e r e n t i a lv i a s a sw e l la st h eh i g h f r e qu e n c yt r a n s m i s s i o ne f f e c t si sa l s oa n a l y z e dc o n c r e t e l y ( 2 ) t h em i xs i m u l a t i o ni nt i m ed o m a i nh a sa c c o m p l i s h e db yu s i n gt h ef r e q u e n c yr a n g e m o d e l ( sp a r a m e t e rm o d e l ) a n di 0b u f f e rm o d e l ( s p i c ea n di b i s ) ，a n dt h et i m ed o m a i n s i m u l a t i o nr e s u l th a so b t a i n e d ( 3 ) t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h es e r d e sm o d e la r er e s e a r c h e d ，a n dt h ea c t u a l s p i c em o d e lo ft h es e r d e sa st h ei n p u t o u t p u td r i v e r sh a sb e e nt e s t e di nt h em u l t i b o a r d s s i m u l a t i o nc i r c u m s t a n c e ( 4 ) b yu s i n gt h et e s tp c b s ，m u l t i b o a r dm o d e lh a sb e e na c c o m p l i s h e d t h esp a r a m e t e r m o d e lf o rt h eg b xc o n n e c t o ra n dt h ed i f f e r e n c ev i ah a sb e e nw r a p p e da n dl o a d e d t h e m u l t i b o a r d ss i m u l a t i o nf o r3 12 5 g b p ss e r d e sb u f f e ri sr e a l i z e d k e yw o r d s - t r a n s m i s s i o nl i n e ，c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，s i g n a li n t e g r i t y ，p o w e r i n t e g r i t y 。c o n n e c t o r ，v i a ，s e r d e s ，i b i s ，s p i c e ，m u l t i b o a r da n a l y s i s ，c i r c u i ts i m u l a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图 图 图 图 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图目录 典型的s e r d e s 基本结构图。7 嵌入式时钟位示意图8 该测试波形显示了最差情况的短脉冲幅度9 长的连接线降低了输入脉冲信号的幅度，使其上升和下降沿发散9 短脉冲只超过门限电平3 5 ，而不是正常情况的5 0 9 发送预加重电路在每个转换的开始处产生了大的反弹1 0 使用均衡技术提高信号质量1 0 发送器o u t p u t 结构示意图1 1 传输线r l c g 模型：1 3 微带线和带状线的电磁场分布1 4 经典i b i s 模型结构示意图2 1 三态b u f f e r 的p u l l d o w ni v 曲线表提取电路2 2 上拉曲线图2 2 上升沿( r a m pr a t e ) 信息提取2 3 h y p e r l y n x 仿真电路图2 5 对s p i c e 模型子电路进行赋值2 6 预加重1 0 时驱动端眼图2 6 预加重1 0 时接收端眼图2 6 预加重3 3 时驱动端眼图2 7 预加重3 3 时接收端眼图2 7 预加重2 5 时驱动端眼图2 7 预加重2 5 时接收端眼图2 8 二端口网络的s 参数2 9 信号在过孔传播时的电场3 3 三种不同情况的过孔3 4 三种过孔的仿真结果3 5 有差分过孔的多层p c b 板3 6 差分过孔测试结构图3 6 差分等效电路模型3 7 第1 、2 级项数和等效电路模型3 8 余项等效电路模型3 9 等效s p i c e 电路模型3 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图5 1 图5 2 图 图 图 图 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 11 图 图 图 图 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 单端信号、耦合信号和差分信号特征阻抗计算4 0 微带差分线和带状差分线电磁场分布：4 1 差分线结构图4 1 无匹配电阻端接的差分信号对仿真波形4 2 差模阻抗端接的差分信号对仿真波形4 2 测试板p c b 叠层图和p a d 叠层图一4 3 差分通孔3 d 模型和s 参数4 4 差分过孔h y p e r l y n x 仿真电路图4 4 通孔时域仿真眼图4 4 加地孔的差分过孔模型和s 参数4 5 加地孔的差分过孔时域仿真眼图- 4 5 反钻处理后的差分过孔模型4 6 反钻处理后的差分过孔时域仿真眼图4 6 b u f f e r 模型模板一4 8 dt oa 适配器结构图。4 9 at od 适配器结构图。4 9 差分b u f f e r 模板5 0 实际多板系统与使用d u m m y 板的多板系统一5 4 d u m m y 板器件封装5 4 i c x 多板仿真设置5 6 i c x 多板仿真信号测试5 7 i c x 多板仿真眼图结果5 7 差分线走线线长和线宽5 8 l i n e s i m 多板仿真电路图5 9 l i n e s i m 多板仿真子卡仿真电路图5 9 l i n e s i m 多板仿真背板仿真电路图5 9 d i v e r 结构示意图6 0 r e c e i v e r 结构示意图6 0 接收端与驱动端眼图6 1 b o a r d s i m 多板仿真电路图6 1 b o a r d s i m 多板仿真板卡连接结构6 2 选取仿真网络6 2 仿真结果眼图6 2 接收端比特流6 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表2 表2 表2 表2 表目录 p c i 传输规范6 并行传输与串行传输优缺点比较6 输出开关设置一1 1 预加重控制11 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：高速垒拯丕统焦量塞鳌性建搓生鱼墓挂盔丛壅 学位论文作者签名：适啦辱塑l日期：j 哆年胁月咖 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：刭! 绎显 一 作者指导教师签名：嘎趱 日期砷年2 ，月舯 日期：办1 年文月舌日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着高速设计复杂度的增加和工作频率的提高，数字系统的信号完整性( s i ) 、电源 完整性( p i ) 和电磁兼容性( e m i ) 成为制约高速设计的关键瓶颈，作为电路设计实现的 依托一印刷电路板( p c b ) 已经成为决定系统性能和稳定性的关键部件。大型通信和计算 机系统一般是由背板( 母板) 加上多种插件板组成，在如此复杂的高速系统中怎样保证系 统的信号完整性( s i ) ，一直困扰硬件设计者和s i 工程师。多板系统涉及多方面的问题， 跨板的高速信号拓扑结构更加复杂，高速信号在连接器件上传输时也会因连接器件的寄生 参数产生较大变化，其信号完整性面临更大的问题，因而必须要对它们进行细致的信号完 整性仿真分析与验证。 在背板互联线传输高速信号时，高速串行信号的传输速率从2 5 g b p s 到5 g b p s ，甚至 高达1 0 g b p s ，相应的脉冲宽度和上升、下降沿时间将减小到p s 量级【l 】，信号的频谱高端 可达1 0 g h z 以上，进入微波频段，此时互耦和封装效应将非常显著，在参数提取和仿真过 程中，频变效应也将出现，一些微波分析中使用的方法与参数将提高仿真的精确性。 在多板高速互连链路中，由于传输线路长、衰减大、特性阻抗不一致，不仅必须重视 由传输线引起的延时，而且更必须关注由其引起的信号衰耗、反射和串扰，这些同样可使 系统不能正常工作的因素。通过板级仿真技术可以在设计原理图拓扑结构的时候就引入信 号完整性分析方法，并在p c b 板级设计过程中通过仿真来调整布局布线，进行设计优化， 保证设计的一次成功。 1 2 国内外相关研究 当信号速率达到g b p s 甚至数十g b p s 时，其在p c b 板中的传输将会遇到一系列的问 题，例如损耗、反射、串扰和抖动等。为了克服高频效应，在多板设计中采用各种关键技 术来解决信号完整性问题。例如预加重技术可以减小传输损耗带来的影响；反钻和端接技 术可以降低信号的反射；c d r ( 时钟数据恢复) 技术用来解决时钟抖动的问题。 目前，国际上对高速数字系统的信号完整性研究与应用主要集中在高性能计算机与高 端通信系统上。具有代表性的是老牌高性能计算机提供商c r a y 公司使用a m d 的6 4 位处 理器o p t e r o n 搭建的“r e ds t o r m ”( 红色风暴) 系统，该巨型计算机的峰值速度可达4 0 t ( t r i l l i o n ) 每秒。由于有先进的高速设计理论及技术的支持，耗时仅2 6 个月，开销仅9 0 0 万美元，就完成了系统的研发。在其设计过程中，应用多种仿真和测试手段，对高速系 统设计提供强有力的支持，尤其是与a n s o f t 公司合作，通过a n s o f t 公司的电磁电路仿真工 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 具( h f s s 、s l w a v e 等) 对3 2 g s 的高速串行信号进行了详细的仿真分析，包括在布局布 线前的拓扑结构的仿真与过孔s t u b ( 短柱) 对高频信号的影响。 国内对高速p c b 设计越来越重视，高速p c b 广泛应用于航空航天、大型电子和通信 系统中，但是对高速多板仿真的研究却因为经验积累和受条件限制等方面的原因开展得不 多。华为公司互连设计部在信号完整性分析与研究方面起步比较早，9 9 年初，华为的信号 完整性技术解决了5 0 m h z 的并行总线的过冲和串扰问题，并推出了第一块1 2 5 g b p s 的高 速串行总线背板，2 0 0 2 年完成了3 1 2 5 g b p s 以上的高速背板研发工作。国防科学技术大学 计算机学院多年来，一直都在开展高速系统s i 问题的研究与实验，在大型网络设备、计算 机系统等方面实现了2 5 、3 2 g b p s 等高速串行信号传输。 1 3 课题主要工作 本课题来源于重点工程项目预研，主要针对高速多( 背) 板系统信号完整性问题进行 建模与研究。高速串行传输应用的不断普及，频率的提高对信号完整性的影响将不容忽视。 对高速p c b 的研究需要涉及到传输线损耗、过孔和连接器的不连续性及损耗的补偿等方 面。工作电压摆幅的降低使得这些因素直接决定了信号的传输质量，在p c b 设计初期充分 考虑这些因素，并通过数字和模拟系统仿真工具根据在不同信号特性曲线条件下的噪声容 限和带宽来验证系统性能，可以保证高速p c b 设计的正确性。 高速高密度p c b 设计和仿真( 多板仿真) 已成为新一代高性能巨型机和其它电子设备 设计实现的难点和瓶颈之一，本课题正是为解决此类难题而展开的。通过本课题的研究， 为重点工程项目的高速高密度p c b 设计实现进行预先研究和技术储备。课题的主要工作包 括以下几个方面： ( 1 ) 高速信号传输信号完整性( s i ) 问题研究 当数字信号频率达到g h z 以上的时候，对传输线模型的要求更加精确。通过研究传输 线理论及其高频特性，以“场路结合”的方法分析了导致高速信号传输信号完整性问题的 因素，为深入研究p c b 信号完整性问题奠定了基础。 ( 2 ) 高速电路仿真中的器件模型 研究高速仿真中常用的电路元器件模型以及建模方法，分析了s 参数模型，i b i s 模型 以及s p i c e 模型的结构，介绍了i b i s 模型的建模方法。 ( 3 ) 过孔的分析与建模 随着数据速率的增加和信号上升沿的变陡，过孔将不能简单的被看成电气连接，而应 该考虑它对信号完整性的影响，过孔效应已经成为制约高速p c b 设计的关键因素之一。本 文分别对单个过孔和差分过孔进行了建模分析，对通孔、反钻技术以及地孔对s i 的影响进 行了讨论，并用时域和频域的实验仿真数据作为支持。最后介绍了种提取差分过孔等效 s p i c e 模型的方法，即差分过孔的等效宽频模型的提取。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 多板仿真与分析 研究多种仿真工具( i c x 和h y p e r l y n x 等) ，并应用i c x 和h y p e r l y n x 环境搭建了多 板仿真的实验环境，结合精确建模技术，对跨多板3 1 2 5 g b p s 高速串行信号进行了模拟， 为多板系统实现3 1 2 5 g b p s 高速信号传输提供设计支持。 1 4 课题研究成果 本课题对高速串行设计理论与实现技术进行了详细的研究与分析，对高速p c b 信号完 整性问题所涉及的各种关键因素进行了理论分析和实验仿真，使用仿真软件搭建了多板仿 真环境，对高速关键信号进行了模拟分析。本文的主要创新体现在以下几点： ( 1 ) 过孔的3 d 电磁场全波仿真 针对过孔的s t u b ( 短柱) 效应，应用3 d 电磁场全波仿真建模技术对过孔参数进行模 拟优化，具体分析了过孔的反钻技术( b a c k d r i l l i n g ) 、差分过孔、带保护地孔的过孔( 差 分过孔) 的频响特性，以及对高频传输的影响，并对各种类型通孔模型的仿真结果进行了 比较分析。 ( 2 ) 基于电磁场s 参数的时域频域混合仿真技术 一般电磁仿真工具中使用的模型参数都是频域模型，如s 参数模型，而数字电路在时 域上分析更加直观。本文将频域的s 参数模型转换到时域仿真工具中，进行时域特性的观 察，如眼图的分析等。 ( 3 ) s e r d e s 高速串行信号驱动( b u f f e r ) 模型的分析研究 介绍了s e r d e s 高速串行电路的原理，研究分析串行电路驱动( b u f f e r ) 模型的原理 及结构图，并实际应用某公司高速串口b u f f e r 的s p i c e 电路模型作为输入输出驱动器进 行多板仿真。 ( 4 ) 多板仿真环境的搭建与精确建模 针对集总参数模型误差大的缺点，用实验电路板搭建了多板仿真环境，提取并使用了 差分过孔和g b x 连接器的精确参数模型，实现了高精度的3 1 2 5 g b p s 串行s e r d e s 多板 仿真。 1 5 文章的组织 本文从高速设计理论、高速信号传输的s i 问题入手，介绍了传输线理论、时域频域的 转换分析和3 d 电磁场全波分析方法，研究分析了各种器件仿真模型，重点研究了高速p c b 上关键特征一过孔的参数和建模，最后应用先进的板级仿真软件i c x 和h y p e r l y n x 搭建了 多板仿真环境，对高速关键信号进行了模拟分析。本文在组织上采取从理论到设计实现， 从仿真模拟结果到分析比较并作结论的文章结构。全文共分五章，各章内容组织如下： 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章给出了课题背景和课题研究的主要内容； 第二章介绍了对高速数字系统设计中从并行互连到高速串行互连的基本结构和原理， 阐述了高速传输线理论，重点分析了高频信号反射、串扰和电源完整性的原理以及解决问 题的策略； 第三章讨论了高速器件模型，研究了s 参数模型、i b i s 模型以及s p i c e 模型的结构及 转换方法，和并串转换电路原理及s e r d e s 高速串行模型分析； 第四章是对过孔的分析与建模，研究了过孔的3 d 电磁建模方法，对多种结构的过孔 以及差分过孔进行建模，在频域和时域讨论了各种参数对过孔高频效应的影响； 第五章对多板系统进行了建模与仿真，研究了多板系统的搭建方法，精确建模方法包 括i ob u f f e r 的s p i c e 模型和g b x 接插件的s 参数模型包裹及应用； 最后结束语部分对本文的主要工作和贡献作了一个总结，针对高速仿真和多板仿真研 究现状、以及研究过程中遇到的问题，对后续工作进行了一个展望。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章高速互连设计与信号完整性 高速数字系统的发展趋势是速度越来越快、体积越来越小，大系统( 机柜) 之间、印 制板( p c b ) 之间、以及芯片( c h i p ) 之间的互连传输，不论是采用并行总线方式还是采 用串行s e r d e s 传输，新一代的协议总是比前一代在速度上有很大提高。与过去低速情况 下的数字设计相比，高速数字电路的设计越来越强调无源电路元件的特性，这些无源元件 包括组成数字产品的连线、印制板、集成电路封装、等等。在低速状态下，无源元件只是 产品封装的一部分。当速度提高时，它们就会直接影响电气性能，并成为决定数字产品设 计成败的关键。 本章首先介绍了对高速数字系统设计中从并行互连到高速串行互连的基本结构和原 理，并将一个实际的s e r d e s 模型r o c k e t l o 加载入仿真软件中，对其信号传输特性进 行了模拟；其次，阐述了高速传输线理论；第三，介绍了随着数据传输率提高而导致的和 频率相关的电路特性；最后，重点分析了高频信号反射、串扰和电源完整性的原理以及解 决问题的策略。 2 1 从并行互连到高速串行传输 随着对信息流量需求的不断增长，传统并行总线技术已成为进一步提高数据传输速率 的瓶颈。对系统带宽要求的不断增加使得并行互连面临着挑战，带宽的增加使集成电路制 造商和系统工程师们不得不使用更宽的数据总线和更高的频率，此外，并行总线的走线长 度和材料对带宽和高频影响愈来愈严重，而且很长的并行总线会带来很多糟糕的效应。由 传输线串扰、反射和地弹等造成的信号噪声以及时沿误差也限制着并行总线的进一步提高 频率。 从p c i 技术标准的发展趋势可以看到，传统并行总线技术正在被高速串行传输取代。 传统的并行总线p c i 由于跟不上处理器和存储器的进步而成为提高数据传输速率的瓶颈， 因此，新一代p c i 标准( p c ie x p r e s s ) 正是为解决计算机i o 瓶颈而提出的，见表2 1 。p c i e x p r e s s 是一种基于s e r d e s 的串行双向通信技术，数据传输速率为2 5 g 通道，而第二代 p c i e 的传输速率更是达到5 g 通道，支持多达3 2 通道的互连，支持芯片与芯片和背板与 背板之间的通信。互联网络的飞速发展和信息技术的日新月异促成了计算机和通信技术的 不断交汇，而s e r d e s 串行通信技术逐步取代传统并行总线正是这一交汇的具体体现。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表2 1p c i 传输规范 p c i 规范总线位数时钟频率数据速带宽 塞 p c i1 0 并行，3 2 位 3 3 m h z 1 3 3 m b p s p c i2 1 并行，6 4 位 33 6 6 m h z 2 6 6 - 5 3 3 m b p s p c i x1 o 并行，6 4 位 1 3 3 m h z 1 0 6 g b p s p c i x2 o 并行，6 4 位 2 6 6 5 3 3 m h z 2 1 4 3 g b p s p c ie x p r e s s 串行 ， 2 5 g b p s 0 5 - 16 g b p s g e n l x l 2 4 1 8 1 12 16 3 2 p c ie x p r e s s 串行 ， 5 g b p s1 - 3 2 g b p s g e n 2 x 1 2 4 1 8 1 1 2 16 3 2 过去主要用于光纤通信的串行通信技术s e r d e s 正在取代传统并行总线而成为高 速接口技术的主流，串行s e r d e s 传输技术的应用不仅可以提高通信带宽，而且工程实现 技术也更为简便。表2 2 所示为并行传输与高速串行传输的优缺点比较，可以看出，高速 串行传输的特点更适用于高速系统互连。 表2 2 并行传输与串行传输优缺点比较 并行传输高速串行传输 占用p c b 面积多少 线道间互相干扰多少 需要终端数目多 少 时沿误差有无 s e r d e s 是英文s e r i a l i z e r ( 串行器) d e s e r i a l i z e r ( 解串器) 的简称。它是一种时分多路复 用( t d m ) 、点对点的通信技术，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经 过传输媒体( 光缆或铜线) ，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点 对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数 目，从而大大降低通信成本。1 2 j 基于s e r d e s 的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行i o 接口的数据传输瓶 颈：一是采用差分信号传输代替单端信号传输，从而增强了抗噪声、抗干扰能力；二是采 用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时 钟偏移问题。 s e r d e s 技术最早应用于广域网( w a n ) 通信。国际上存在两种广域网标准：一种是 s o n e t ，主要通行于北美；另一种是s d h ，主要通行于欧洲。这两种广域网标准制订了不 同层次的传输速率。目前万兆( 0 c 1 9 2 ) 广域网已在欧美开始实行，中国大陆己升级到2 5 千兆f o c 一4 8 ) 水平。s e r d e s 技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 s e r d e s 技术同样应用于局域网( l a n ) 通信。因为s e r d e s 技术主要用来实现i s o 模 型的物理层，s e r d e s 通常被称之为物理层( p h y ) 器件。以太网是世界上最流行的局域网， 其数据传输速率不断演变。i e e e 在2 0 0 2 年通过的万兆以太网标准，把局域网传输速率提 高到了广域网的水平，并特意制订了提供局域网和广域网无缝联接的串行w a np h y 。与 此同时，s e r d e s 技术也广泛应用于不断升级的存储区域网( s a n ) ，例如光纤信道。 s e r d e s 技术也同样越来越多地应用于数字系统设计，尤其是在p c b 板载系统中应用 更加广泛，比如，在背板互连的高性能计算机和通信设备中的应用。s e r d e s 芯片的设计 需要模拟和数字两方面即混合信号的设计经验。例如锁相环的设计，其中压控振荡器属于 模拟电路，而检相器和分频器属于数字电路。s e r d e s 芯片普遍采用低成本、低功耗的 c m o s 工艺，但c m o s 工艺往往达不到高速混合信号的速度要求。因此设计人员必须采用 特殊的高频宽带电路设计技术，例如螺旋电感可以用来提高电路速度和带宽。另外，模拟 和数字电路共存于同一硅片上，容易产生电源同步噪声( s s n ) 和地反弹以及信号串扰。因 此保持信号的完整性是混合信号设计人员面临的一项挑战。与此同时，芯片封装和印刷电 路板的设计与仿真也是s e r d e s 设计不可或缺的一环。当前s e r d e s 设计逐渐i p ( 知识产 权) 化，即s e r d e s 收发器作为商业化i p 模块而嵌入到需要高速i o 接口的大规模集成电 路中。 2 1 1s e r d e s 系统的组成和设计 典型的s e r d e s 接口通常由发送通道和接收通道组成，见图2 1 ：编码器、串行器、 发送器以及时钟产生电路组成发送通道；解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成 接收通道。顾名思义，编码器和解码器完成编码和解码功能，其中8 b 1 0 b 、6 4 b 6 6 b 和不 规则编码( s c r a m b l i n g ) 是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从并行到串行和从串行到 并行的转换。串行器需要时钟产生电路，时钟发生电路通常由锁相环( p l l ) 来实现。解串器 需要时钟和数据恢复电路( c d r ) ，时钟恢复电路通常也由锁相环来实现，但有多种实现形 式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的发送和接收，其中l v d s 和 c m l 是最常用的两种差分信号标准。另外还有一些辅助电路也是必不可少的，例如环路 ( 1 0 0 p b a c k ) 狈l j 试、内置误码率测试等等。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 s e r d e s 体系结构按其传送数据的不同又可分为几种类型。并联时钟s e r d e s 将并行 总线串行化为多个差分信号对，传送与数据并联的时钟。这些s e r d e s 比较便宜，可以在 通常需要同时使用多个s e r d e s 的应用中，通过电缆或背板有效地扩展宽总线。 8 b 10 bs e r d e s 将每个数据字节映射到1o 位代码，然后将其串行化为单一信号对。 1 0 位代码是这样定义的：为接收器时钟恢复提供足够的转换，并且保证直流平衡( 发送相 等数量的“1 ”和“0 ”) 。这些属性使8 b 1 0 bs e r d e s 能够在有损耗的互连和光纤电缆上 以较少的信号失真高速运行。 位交错s e r d e s 将多个输入串行流中的位汇聚为更快的串行信号对。此类型的 s e r d e s 以最少的布线将吞吐量最大化。 嵌入式时钟位( 又称开始停止) s e r d e s 。嵌入式时钟位体系结构可以将数据总线和 时钟串行化为一个串行信号对。两个时钟位，一低一高，在每个时钟循环中内嵌入串行数 据流，对每个串行化字( w o r d ) 的开始和结束成帧，并且在串行流中建立定期的上升边沿。 由于有效负载夹在嵌入式时钟位之间，因此数据有效负载字宽度并不限定于字节的倍数。 其示意图如图2 2 所示。 a 9 ：0 1 0 0 m h z 恢复出的时钟：1 0 0m h z 图2 2 嵌入式时钟位不意图 s e r d e s 高速串行接口通常用于跨背板器件的收发器，由于传播距离长，环境复杂，同样 存在信号完整性问题。背板、连接线和电缆都会使通过它的信号产生衰减，这种信号衰减 可能很轻微也可能是致命的，决定于导体的几何尺寸、材料、长度和使用的连接器类型。 从频域上来考虑传输线的损耗，带状线类似于低通滤波器，同一条连接线，对高频正弦波 的衰减比低频波更厉害。对于同一个高频正弦波，连接线越长，其衰减越厉害。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t i m el l - b i t p e r t i c k 4 0 0 澎) 图2 3 该测试波形显示了最差情况的短脉冲幅度 图2 3 从时域上显示了传输线长度不同，对信号产生的影响。考虑传输线的频率响应， 传输线越长，信号的高频分量衰减越大，表现在时域上即降低了信号的摆幅，减缓了信号 的上升和下降沿。 图2 4 长的连接线降低了输入脉冲信号的幅度，使其上升和下降沿发散 图2 4 是一个典型的差分输出b u f f e r ( 缓冲器) 单元的电气连接，显示了数字信号通过 2 0 英寸( 0 5 米) 的f r - 4 微带线后的衰减情况。在连接线中电介质和趋肤效应的损耗降低了 脉冲信号的幅度，使其上升沿和下降沿更加发散。接收到的脉冲即“短脉冲( r u n tp u l s e ) ”， 因为其信号幅度比通常的都小，任何不能以足够余量超过接收器门限电压( 即低于阈值电 压) 的短脉冲都会造成误码。 图2 5 短脉冲只超过门限电平3 5 ，而不是正常情况的5 0 按照图2