（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的平台设计和系统移植.pdf

摘复 摘要 随着科技的发展，嵌入式系统成为了研究与应用的热点。嵌入式系统已经广 泛的应用于消费电了产品、自动控制等领域。山丁嵌入式系统对硬件的依赖件， 使得嵌入式系统的开发要根据具体硬件电路进行分析，没有统一的标准。 本文所使用的c p u 是飞思卡尔公司的m c 9 3 2 8 m x l 微处理器。由于该芯片的运 行速度较高( 最高速度可达2 0 0 m i l z ) ，因此以浚芯片为核心的电路板设计必须要 进行高速电路分析。进行高速电路设计必须解决信号完整性问题，信号完整性问 题包括反射、串扰、延迟等。本文介绍了高速电路的理论知识，并且以高速电路 知识作为指导，借助基于i b i s 模型和h y p e r l y n x 仿真工具进行信号完整性仿真 分析。通过对p c b 板进行布局前和布局后仿真，以仿真结果作为设计的指导，较 好的解决了信号完整性问题，缩短了设计周期。 在本文中详细介绍了m c 9 3 2 8 m x l 开发系统的硬件电路组成，从整体上分析了 一个最小嵌入式系统所应具有的功能。该开发系统的核心板具有良好的扩展性， 在核心板上已将大多数信号线引出，用户可根据需要设计满足要求的扩展板。本 文在m c 9 3 2 8 m x l 开发系统板上成功实现了l i n u x 嵌入式操作系统的移植。不仅克 服l i n u x 嵌入式操作系统移植的难点一初始化( b l o b ) ，并且对b l o b 代码进行改 进，完成有关驱动程序的开发。 关键词：信号完整性、串扰、嵌入式系统、系统移植 a b s l r a c t 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 e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m et h e r e s e a r c hh o ts p o t i th a sb e e nu s e di ne v e r ya s p e c to fl i f e ，s u c ha st h ef i e l do f c o n t r o l l i n ga n dc o n s u m e r e l e c t r o n i cp r o d u c t b u tb e c a u s ee m b e d d e ds y s t e mi s h a r d w a r ed e p e n d e n c e ，t h ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a st oa c ta c c o r d i n gt ot h e c o n c r e t eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t t h i sm a k e st h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m e d i m c u l t t h er u n n i n gr a t eo fm c 9 3 2 8 m x lm i c r o p r o c e s s o rw h i c hi st h ec o r eo ft h i s p l a t f o r mi sh i g h ( m a x i m u ms p e e da t t a i n a b l e2 0 0 m n z ) ，t h e r e f o r em u s th a v e1 0c a r r y o nt h eh i g h - s p e e dc i r c u i ta n a l y s i so nt h i se l e c t r i cc i r c u i tb o a r dd e s i g n t h i sa r t i c l ei m m d u c e dt h eh i g h - s p e e dc i r c u i tt h e o r yk n o w l e d g e ，a n dc o m p l e t e s t h ea n a l y s i so fs i g n a li n t e g r i t yp r o b l e mw i t ht h eh e l po ft h ei b i sm o d e la n dt h e h y p e r l y n xs i m u l a t i o nt 0 0 1 b yc a r r y i n go u ts i m u l a t i o nb e f o r el a y o u ta n da f t e rl a y o u t t h ep c b ，w ec o u l ds u c c e s s f u l l ys o l v et h es i g n a l i n t e g r a t ep r o b l e ma n da v o i d u n n e c e s s a r ym a n u f a c t u r ee l e c t r i cc i r c u i tb o a r d ，t h u ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ed e s i g n c y c l e i nt h i s p a p e lw ed i s c u s s e dt h e h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g no ft h e m c 9 3 2 8 m x lp l a t f o r md e v e l o p m e n ts y s t e m ，a n da n a l y z e dt h ef u n c t i o n sw h i c ha s m a l le m b e d d e ds y s t e ms h o u l dh a v e t h ec o r eb o a r do ft h ep l a t f o r mh a st h eg o o d e x t e n s i o nb e c a u s et h em a j o r i t yo ft h ew i r e sh a v eb e e nd r a w no u tt ot h ee x t e n d e rb o a r d ， a n dt h eu s e rc a ne a s i l ya d dt h en e c e s s a r yf u n c t i o nt of u i f i l lt h en e e d w es u c c e s s f u l l y r e a l i z e dt h e t r a n s p l a n t o fl i n u xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo nt h i s p l a t f o r m d e v e l o p m e n t s y s t e m n o to n l yo v e r c o m et h et r a n s p l a n td i f f i c u l t - i n i t i a l i z a t i o n ( b l o b ) ，w ec o m p l e t e dt h er e l a t e dd e v e l o p m e n t sd r i v e r k e y w o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y 、c r o s s t a l k 、e m b e d e ds y s t e m 、p o r t i n g 5 y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究r 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同1 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了谢意。 学位论文作者签名：誊淋签字日期：3 - 啪年1 月gh 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞挂互些盍堂一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盍堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密厉适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字几期：知o6 年j 月) 占日 导师签 签字刚辋：妒f 年月够臼 学位论文的主要创新点 一、在研究高速电路的信号完整性问题的基础上，提出了以仿真 软件进行信号完整性分析的方法。实验证明该方法较好的解决了信号 完整性问题，避免了因信号完整性问题可能带来的重复制板。 二、独立设计了一个高速数字硬件电路系统，并且完成厂在该硬 件平台上的l i n u x 操作系统移植。并在此基础l 实现了l i n u x 网络模 块驱动程序的编写。 笫一章绪沦 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的发展及趋势 1 1 1 嵌入式系统的概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能i ”】。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和f o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作 系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这 两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应 用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会 生活各领域普及应用。从家庭的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的汽车，到办 公室里的远程会议系统等等，都可以看到使用嵌入式技术开发和改造的产品。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数景上已经远远超过了通用计 算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器 人f 在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 1 1 2 嵌入式操作系统的介绍 嵌入式系统的概念是在1 9 7 0 年左右出现的，不过在当时，大部分都是由汇 编语言完成的，而且这些汇编程序只能用于某一种固定的微处理器，当这种微处 理器过时之后，这种嵌入式系统就没有用了。 这个时候的嵌入式系统很多都不是操作系统，只是为了实现某个控制功能使 用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。不可否认，这对一些简单的 系统而言是足够的，但是当系统越来越复杂，利用的范围越来越广泛的时候，没 有操作系统就成为了一个最大的缺点了，因为需要添加一项新功能都可能需要从 头开始设计，否则只能增加开发成本和系统复杂度。 c 语言的出现使得操作系统开发变得越来越简单。对开发嵌入式操作系统来 第一审晰论 说，在效率和速度上都提高了很多。从上世纪八十年代开始，丌贻出现各种各样 的商业用嵌入式操作系统，这些操作系统大部分都是为专有系统而开发。 目前采用嵌入式操作系统的产品主要有：信息家电、p d a 、i p 电话、手机、 网络设备( 如路由器、网络交换机等) 、仪器仪表、医疗设备和汽车导航系统等。 1 1 3 国内外嵌入式操作系统现状 国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟。目的使用比较广泛的嵌入式操作 系统有v x w o r k s 、p a l mo s 、w i n d o w s c e 等【3 8 】。 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操 作系统。v x w o r k s 拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发 环境，在实时操作系统领域占据席之地。它以良好的可靠性和卓越的实时性被 广泛的应用在通讯、军事、航空等实时性要求很高的领域。 w i n d o w s c e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个简洁的、高效率的多平台操作系统，是从整体 上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块 化设计允许它对从掌上电脑到专用工业控制器的用户电子设备进行定制。 i t c o s ： uc o s 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 开发的实时操作系统内核。目前己被移 植到i n t e l ，a r m 。m o t o r o l a 等8 0 多种不同的处理器上。它的核心代码只有8 3 k 字节，它只包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程问的通信与同步等基本 功能，而没有包括i o 管理、文件系统、网络等模块。i lc o s 的移植性很强， 涉及到系统移植的源码文件只有3 个。 p a l mo s 3 c o m 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上占有很大的市场份额。它 有开放的的操作系统接t a ( a v i ) ，开发人员可以根据需要自行开发所需的应用程 序。目前已经有总菸1 0 0 0 0 多个应用程序可以运行在p a l m 上，其中大部分应用 程序均为其他厂商和个人所开发，使得p a l m 的功能得以不断增多。这些软件包 括计算器、办公软件、娱乐游戏、信息管理工具、地理信息等等。 l i n u x l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统。自1 9 9 1 年诞生至今， l i n u x 在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的u n i x 系统。它充分利用了 x 8 6 c p u 的任务切换机制，实现了真正的多任务、多用户环境。l i n u x 对硬件配 置的要求相当低，能够在4 m 内存的3 8 6 机器上很好的运行。而且可以支持很多 2 笫一帚绪论 种处理器芯片。 在应用于嵌入式系统方面，l i n u x 己经在许多典型的硬件平台上实现移植， 在l i n u x2 4 内核中，这些平台包括：a r m ，m i p s ，a l p h a p o w e r p c 等。 存围内嵌入式操作系统的丌发也取得了一定的成绩，包括d e l t ao s 、h o p e n o s 等。卜面做简单的介绍： d e l t a o s d e l t ao s 是电子科技大学和北京科银京成技术有限公司联合丌发的全中文 嵌入式操作系统，提供实时和嵌入式多任务的内核，任务响应时问快速、确定， 不随仟务负载大小而改变，绝大部分的代码由c 语言编写，具有很好的移植性。 d e l t ao s 主要包括：具有高可靠性和实时性的内核d e l t a c o r e 、嵌入式t c p i p d e l t a n e t 、嵌入式文件系统d e l t a f i l e ，以及嵌入式图形接口d e l t a g u l 。d e l t a o s 支持a r m 7 、s t r o n g a r m 、p p c 8 x x 、p p c 4 x x 、x 8 6 、m i p s 等多种嵌入式微处 理器。 h o p e n o s h o p e no s 是凯恩集团自主研制的实时操作系统，由一个体积很小的内核以 及一些可以根据实际需要进行定制的系统模块组成。其核心h o p e nk e r n e l 大小 一般为i o k b 左右，占据空间小，并具有实时、多任务、多线程的特点。h o p e no s 包括以下几个模块：系统内核、设备驱动、图形用户界面系统、文件系统以及网 络系统等。 1 1 4 嵌入式系统发展趋势 随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提升，新的应用环境和 产业化需求对嵌入式系统软件提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入 式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可信性、 自适应性、构件组件化方向发展；支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化； 系统软件对无线通信和能源管理的功能支持将日益重要。目前，平台化、标准化 和向便携式电子产品、汽车电子等领域渗透成为嵌入式软件的发展趋势。这一方 面得益于主流嵌入式o s 系统的建立和开放源代码l i n u x 系统的成熟；另一方面， 产品开发时间的缩短和对产品间信息的互连互通的要求也促进了这些趋势的发 展。 1 2p c b 设计现状及发展趋势 随着半导体： 技术的发展，目前芯片设计技术已达到深亚微米水平，超大规 第一帝绪论 模电路成为芯片发展主流。新的芯片封装的类型，如b g a 、t q f p 等不断涌现。 高密度引脚封装及小型化封装成为一种时尚，另外，芯片工作频率不断提高，使 系统工作频率的提高成为可能。而这些变化必然给板级设计带来许多问题和挑 战。 首先，山于高密度引脚及引脚尺寸f l 趋物理极限，导致低的布通率；其次， 山于系统时钟频率的提高，引起的时序及信号完整性问题；第三，工程师希望能 在p c 平台上用更好的工具完成复杂的高性能的设计。由此，不难看出p c b 板 设计有以下三种趋势： 高速数字电路( 即高时钟频率及快速边沿) 的设计成为主流。 产品小型化及高性能必须面对在同一块板上由于混合信号设计技术( 即数 字、模拟及射频混合设计) 所带来的分布效应问题。 设计难度的提高，导致传统的设计流程及设计方法狠难胜任当前的技术挑 战，因此，采用e d a 软件进行p c b 设计成为业界公认的一种趋势。 电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 简称e d a 。利用e d a 工具， 电子工程师可以将电子产品的由电路设计、性能分析到l c 设计版图或p c b 设计 版图整个过程在计算机上自动处理完成。近年来，电子产品几何工艺尺寸的日益 缩小、电路复杂度提高，以及对更快更灵活器件( 如f p g a 器件) 的需求，推动e d a 技术不断发展和创新。 目前，用于p c b 设计的e d a 软件很多，主要有m e n t o rg r a p h i c s 、a l l e g r o 、 o r c a d 、p a d s 和p r o t e l 等。这些软件都综合了电原理图绘制、模拟电路与数 字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计f 包含印制电路板自动布线) 等功能。 1 3 本文的内容漫结构安排 本文以f r c c s c a l e 飞思卡尔公司的m c 9 3 2 8 m x l 微处理器芯片为核心， m e n t o r 公司的p a d s 2 0 0 4 软件为开发环境，设计了基于m c 9 3 2 8 m x l 芯片的 硬件开发系统。该硬件平台主要由电源模块、s d r a m 模块、f l a s h 模块、u a r t 模块、u s b 模块以及网络模块组成。在完成硬件设计的基础上，并将嵌入式l i n u x 操作系统移植到该硬件平台上。该硬件开发平台具有开放式设 计、集成度高、尺寸小、可扩展性强、低功耗等特点。 本文的章节安排如下： 第2 章中对整个系统的硬件平台进行总体介绍，从用户需求的角度详细阐述 了本系统应该具备的功能。 第3 章中将介绍高速电路设计理论知识，分析信号完整性问题所面对的主要 4 第审绪论 问题及理论上的探讨。 第4 章中将以第三章所介缁内容为知识背景，讨论高速p c b 仿真的设计方 法，并且介绍基1 二m c 9 3 2 8 m x l 的硬件系统仿真环境的建立，给出仿真结果。 第5 章将对整个系统的硬件平台进行详细的介绍，根据功能要求进行规划， 把整个系统分为电源模块、s d r a m 模块、f l a s h 模块、u a r t 模块、u s b 模 块以及网络模块。 第6 章中将详细的讨论嵌入式l i n u x 引导程序的移植过程，针对b o o t l o a d e r 移植的难点进行分析。 第7 章中将介绍在l i n u x 环境下的网络编程，并且分析网络芯片c s 8 9 0 0 驱 动程序的编写方法。 第8 章结论，对本论文所做的工作进行总结，并提出了对进一步研究的建议。 筇。幸系统碘件总体设计 第二章系统硬件总体设计 2 1 硬件功能需求分析 一个完整的嵌入式系统般由四个部分：嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。嵌入式处理器是系统平台 的核心部分。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器己经超过了1 0 0 0 多种， 3 0 多个系列。虽然不同的处理器有其不同的功能和优势，但是低成本、低功耗、 高性能是嵌入式系统应用的特殊要求。本试验平台的微处理器采用f r e e s c a e 飞思卡尔公司的m c 9 3 2 8 m x i 芯片。m c 9 3 2 8 m x i 是一款以a r m 公司的a r m 9 2 0 t 内核 为核心的低功耗、高性能的微处理器。 存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。由于m c 9 3 2 8 m x l 只有1 2 8 k 的片上 s r a m 以及1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，因此如果要运行l i n u x 嵌入式操 作系统，则必须外扩存储器。存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需 求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。 对于外围接口电路的设计，则需要根据实际要求进行分析。本系统是一个最 小的嵌入式系统，该最小系统提供了以下一些基本接口： 1 r s 一2 3 2 串行通信接口 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。在本系 统中，目标板通过串口与主机之间进行数据通信来完成硬件和软件调试。 2 以太网接口 随着i n t e r n e t 飞速发展，嵌入式系统提供网络功能已经逐渐成为一种 趋势。m c 9 3 2 8 m x i 内部已包含了以太网控制模块，只需外接一片网络芯片如 c s 8 9 0 0 a 就可实现以太网的接入。 3 u s b 接口 u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口 标准。本系统使用的p h i l i p s 公司的p d i u s b p i l h 芯片满足u s b1 i 规范。 通过u s b 接口，可以方便的传输比较大的数据文件。 4 j a t g 接口 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是i e e e 的标准规范。j t a g 仿真器也 称为j t a g 调试器，是通过a r m 芯片上的j t a g 边界扫描口进行调试的设备。 j t a g 仿真器比较便宜，连接比较方便。它可以通过现有的j t a g 边界扫描与 6 第一辛系统由! l ! 什总仆啦l | a r mc p u 核进行通信，属于完全非插入式( 不占用片上资源) 调试。另外i t a g 调试的目标程序实在目标板上执行，仿真更接近丁目标硬件，凼此，仿真结 果与真实的环境更为接近，所以逐渐成为目前采用最多的一种调试方式”“。 一个含有j t a g 接口模块的c p u ，只要时钟币常，就可以通过j 1 a g 接口访问 c p u 的内部寄存器和挂在c p u 总线e 的设备，如f i a s h ，r a m ，s o c ( 比如4 5 1 0 b ， a t 9 1 m 系列) 内置模块的寄存器，u a r t ，t m e f s ，g p i o 等等的寄存器。 5 g p i o 及外部总线信号线。 为了止嵌入式核心平台尽可能提供多种功能，适应各种需要，将嵌入式 处理器和外围器件所提供的功能全部引出，增强系统的可扩展能力。因此， 除了上述的接1 3 电路之外，核心平台通过接插件接口引出了m c 9 3 2 8 m x l 的大 部分总线，包括地址总线、数据线总线、控制信号线、g p o 信号线等。 2 2 核心板硬件设计 系统核心板上的s d r a m 采用两片s a m s u n g 公司生产的k 4 s 2 8 1 6 3 2 芯片，该芯 片主要用于存放解压后的l i n u x 内核，提高系统的运行速度，同时也做为系统的 主存朱使用。核心板上的f l a s h 采用 n t e l 公司的2 8 f 3 2 0 j 3 a 芯片。f l a s h 主要 用于存储l i n u x 内核压缩镜像和系统引导代码。图2 一l 为核心扳结构简图： 图2 - 1 核心板结构简图 核心板主要由以下部分组成： m c 9 3 2 8 m x l 微处理器是整个硬件平台的核心部分； s d r a m 存储器用于存放系统运行时程序、数据、堆栈等； 第二审系统硬件总体设计 f l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式系统或者其他数 据等； 3 2 7 6 8 k h z 无源晶振为系统提供工作时钟； 电源转换电路，将5 v 外部直流电压转换为3 v 和1 8 v ，其中3 3 v 为 m c 9 3 2 8 m x 及各存储器、缓冲器等器件提供电压；1 8 v 为m c 9 3 2 8 m x l 内核 提供电压； 复位电路可完成在系统工作时用户按键复位； 串行接口电路用于m c 9 3 2 8 m x l 和主机之间的双向串行通讯； j t a g 接口可以对m c 9 3 2 8 m x l 内部的模块进行访问，可进行在线仿真和调 试； 接插件接口将核心板上的系统总线，包括数据总线、地址总线和控制总 线引出，供扩展板使用。 2 3 扩展板硬件设计 扩展板上的r s 2 3 2 接口采用m a x i m 公司的m a x 3 2 2 1 芯片进行电路转换，其供 电电压为3 3 v 。以太网接口芯片采用的是c i r u s sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a c q 3 芯 片，其供电电压为3 3 v 。u s b 芯片采用p h i l i p s 公司的p d i u s b p l l h 芯片进行收 发数据转换，其工作电压为5 v 或者3 3 v 。 扩展板提供以下接口： 电源转换电路： 1 个l o b a s e t 以太网接口； 一个s l a v eu s b 接口； 1 个r s 一2 3 2 接口。 在扩展板上还提供了以下的二次开发预留接口： 地址总线a 0 0 a 2 4 ； 数据总线d 0 0 d 3 1 ； 存储空间控制总线； i 串行总线接口； s p i 串行总线接口。 8 批二幸i 。h 琏p c b 砬计 第三章高速p c b 设计理论 由于浚系统核心器件( m c 9 3 2 8 m x l ，s d r a m 等) 均为高速器件，而在高速数 字电路系统中，芯片、接插件、元器件及p c b 本身都将会表现出与低速情况下 截然不同的行为，因此需要采用高速电路理论知识对设计进 j 丰日导，以保汪所设 计的硬什系统的具有较好的信号完整性性能。 3 1 高速电路 信号是否作为高速信号来处理取决于信号上升时间、导线长度和佶输速率三 种因素。通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过4 5 m h z 一5 0 m h z ，埘 且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的扮量( 比如说 1 3 ) ，就称为高速电路【1 4 i 。 信号上升时间的典型值可通过芯片器件手册查找，而信号的在p c b 走线上 传播的延迟时间由实际布线k 度决定。在真空中，信号延迟时间每单位英寸为 0 0 8 5 n s ，而在f r - 4 印刷电路板上每单位英寸的延时为0 1 4 01 8 n s 。 设t r 为信号上升时问，t p d 为信号线传播延时。如果t r 一4 t i x t ，信号萍 存安全区域。如果2 t p d n 4 t p d ，信号落在不确定区域。如果t r 、 z l ，则反射系数p 信号线，通常信号线宽为：1 0 2 0 m i l s 。 2 ) 在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层 板，电源和地线各占用一层。在核心板系统中，电源和地各占一层，由于 m c 9 3 2 8 m x l 需要3 3 v 和1 8 v 两种电源，所以对电源层进行了分割。在 开发系统子板中，电源线的宽度为5 0 m i l s ，同时在板上增加了大面积的地 线铺铜。 3 1 在电源、地线之间加上去耦电容。电源输入输出端和芯片电源输入管脚 附近添加不同容量的电容。在电路板的电源输入上放置一个4 7 u f 电容， 可以消除低频噪声。在每个有源器件的电源引脚和接地引脚上放置一个 第二三章l 岛速p c b 砹计 0 i uf 高频滤波电容可以滤除线路高频噪声。滤波电容应尽量接近电源日 脚，使电源引脚到滤波电容的走线最短来取得最好的滤波效果。 3 5 4 时钟设计 时钟设计在p c b 设计中是很重要的一部分，通过规划时钟线，使得时钟线 的连线远离其它的信号线。在核心板设计中，将时钟走线御线在和地层相邻的层 上。时钟走线在同一层上，不要穿越多层。时钟线和其它数据、地址线之间的距 离应该满足3 w 原则( 绕线的间距要两倍于线宽) 。尽量使时钟走线最短，并且 加上地线保护。为了保证时钟信号的完整性，时钟的输出端根据需要串接端接电 阻。 3 5 5 设计规则检查 p c b 布线结束之后，需要进行检查，以保证设计达到要求。一般需认真检 查靠线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合 印制板生产工艺的需求。通常检查有以下几个方面： 1 ) 线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通 孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 2 ) 电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之问是否耦合。在p c b 中是否 还有能让地线加宽的地方。对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长 度限制，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。 3 ) 模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。加在p c b 中的图形f 如 图标、标注1 是否会造成信号短路。 第州章竹j j 完整忭设汁 第四章信号完整性仿真 在高频下，由于导线的传输线效应而引起的信号完整性问题是高速电路设计 所面临的主要问题之一。随着系统工作频率越来越高，使用仿真的手段进行信号 完整性分析越来越显得重要了。传统的p c b 设计，往往依靠个人经验布线，布 线结束之后直接制版，然后在进行调试的方法已经不适应技术发展的需要了。而 采用仿真的手段进行信号完整性分析，可以在设计的早期发现电路板上存在的信 号完整性问题，不仅方便修改而且缩短系统的研发时间。图4 1 为进行电路仿真 步骤的简图。 4 1 仿真软件简介 图4 - 1 电路仿真步骤示意图 本系统电路设计软件采用m e n t o r 公司的e d a 环境p a s 2 0 0 4 。h y p c r l y n x 是p a d s 2 0 0 4 的仿真软件包，是进行p c b 信号完整性分析、e m c 电磁兼容分析 和高速p c b 设计的分析工具，用于解决包括过冲欠冲、振铃、失真、串扰和时 序问题1 9 i 。 h y p e r l ) ，n x 包括预先布局分析工具l i n c s i m 和后布局分析工具b o a r d s i m ， 使用l i n e s i m 进行布局布线前仿真，可以早早地预测和消除信号完整性问题，从 而有效地约束布局、计划叠层，并在电路板布局之前优化时钟、关键信号拓扑和 终端负载。l i n e s i m 本身的点击传输线模型方法是在第一时间就可得到结果的理 想方法。 b o a r d s i m 是布局布线后信号完整性仿真工具，可以在三个重要阶段分析信 号完整性和时序在p c b 布局系统的局部布局之后，在关键网络布线之后， 以及在整个电路板详细布线之后。 第p u 章信 ： 完整忡挫汁 4 2 仿真模型简介 在进行仿真前需要确市电路板元器件的仿真模型，在高速电路设计中，常用 的仿真模型有s p i c e 模型祁i b i s 模型，其中完整的s p i c e 模型需要包含芯片设 计和制造的细节，所以只有较少数的半导体制造商会在提供芯片产品的同时提供 相应的s p i c e 模型。除此之外，采用s p i c e 模型的p c b 板级仿真的计算量很大， 分析较为费时。 4 2 1i b i s 模型的介绍 i b i s ( i n p u t o u t p u tb u f f e ri n f o r m a t i o n a ls p e c i f a t i o n ) 是用来描述j c 器件的输 入、输出和i o b u f f e r 行为特性的文件，并且用来模拟b u f f e r 和板上电路系统的 相互作用。在i b i s 模型里核心的内容就是b u f f e r 的模型，因为这些b u f f e r 产生 一些模拟的波形，从而仿真器利用这些波形仿真传输线的影响和一些高速现象 ( 如串扰，e m i 等。) 。具体而言i b i s 描述了一个b u f f e r 的输入和输出阻抗( 通 过i 曲线的形式) 、上升和下降时间以及对于不同情况下的上拉和下拉，那么 工程人员可以利用这个模型对p c b 板上的电路系统进行s i 、串扰、e m c 以及时 序的分析【1 0 】【1 1 1