基于PCIE的高速密码卡PCB设计与研究(论文).pdf

第 卷第期 年月 西 安 航 空 学 院 学 报 收稿日期： 基金项目： 西安邮电大学研究生创新基金项目（ ） 作者简介： 崔晨琪（ ） ， 女， 山东德州人， 硕士研究生， 从事专用集成电路方面的研究。 基于 的高速密码卡 设计与研究 崔晨琪， 孟李林， 李小龙 （ 西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 ） 摘 要： 为了实现更可靠的高速印刷电路板（ ） 设计， 解决电磁兼容（） 、 信号完整性和电源完整性等问题对 系统带来的不利影响， 从叠层及布局、 电源设计、 过孔设计、 高速信号布线四个方面详细讨论了具有高速加解密功能 的基于 总线的高速密码卡印刷电路板的设计技术， 并结合实际应用给出了具体实现办法和有关实例。实践表 明： 这些技术在高速印刷电路板的实际设计中可行有效。 关键词： 高速 ； 总线； 电源设计； 高速信号布线 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： （ ） 如今互联网技术飞速发展， 电子邮件、 网上支 付、 个人通信等信息服务被广泛使用， 在此背景下， 信息安全成为重要研究课题。公钥基础设施（ ， ） 技术利用公钥理论和 技术提 供 了 信 息 安 全 服 务， 而 基 于 技 术 的 、 、 、 、 算法是国家密码管理 局制定的商用密码， 在电子政务、 电子商务等领域 广泛应用 。 （ ） 总线技术作为第 三代总线标准采用串行数据传输和点到点互 连技术， 在高速设备中应用广泛 。在数字系统设 计领域中， 较高时钟频率带来信号完整性、 电源完 整性、 串扰等问题， 用传统方法设计 （ ） 将无法满足系统稳定工作的要求。 本文针对国密算法的优势及 高速串行传 输的优点， 提出了一种基于 总线的高速密码 卡 设计方案。 总体设计方案 设计采用 公司 系列的 芯 片 ， 该 芯 片 集 成 了 硬核模块， 实现个通道的高速数据传输 密码卡设计， 外接四种加密芯片， 芯片、 芯片、 芯 片、 芯 片分 别 实 现 、 、 和 算法， 可完成密码卡初始化、 密钥管理、 备份 恢复和权限管理操作等功能。密码卡应用于 机 中， 通过 插槽与 机主板连接， 并由 机 进行控制操作。 总线接口由 内的 硬核实现， 完成 核与 缓存及其控制模 块之间的通信。 核作为控制中心， 完成密码 卡软件功能。同时， 外接加密芯片通过各自接口模 块实现与密码卡的通信。密码卡硬件结构设计如 图所示。 图 密码卡硬件结构设计 高速 设计 叠层与布局 叠层设计是 设计首要考虑的问题， 合理的 叠层设计可以抑制电磁干扰（ ， ） 辐射， 使电源层或接地层上的瞬态 电压尽量小， 屏蔽信号和电源的电磁场， 通常高速数 字电路设计中采用多层板和多个工作电源。 叠 层需要根据电路时钟频率、 印制板制造成本、 管脚密 度、 加工周期及可靠性要求等因素综合考虑， 且多层 板的各层应保持对称， 最好是偶数同层， 因为不对称 的层压， 会导致板面易翘曲 。本文设计的密码卡通 过 插槽与 机连接， 电路板的尺寸和形状是 固定的， 高度约为 ， 长度约为 ， 下方配有 接口插针。由于元件密度比较大， 信号走线 较密， 电路板的层数选为层， 六层板的布局为信号 层、 电源层、 信号层、 电源层、 地层、 信号层， 其中， 共三 层信号层、 一个地层、 两个电源层， 此设计可实现信号 完整性设计所需要的环境。 的叠层确定后， 就需对元器件进行分组和 布局。首先要根据 板的尺寸和形状对与元件 位置作出整体规划， 同时考虑元器件之间的连线关 系、 功能划分及整齐美观。另外可根据各元件使用 电压的等级进行合理布局， 使电源走线长度尽量 小， 可以 减小 电 源 噪声 的 干 扰， 提 高 电 源 的 稳 定 性 。放置 芯片要注意其辅助电路及其他芯 片的联系， 注意时钟线引脚后晶振的放置， 晶振周 围要避免放置高噪声器件， 且要尽量靠近其驱动器 件。其次， 要注意各个芯片电源和信号引脚的位 置， 结合连线调整其位置和方向。由于密码卡的形 状长宽 比 大 于：， 而 插 槽、 装 载 孔、 指 示 灯的位置固定， 因此元器件的布局就要根据设 计要求， 优先考虑位置固定的器件。另外电路中各 元件与 连线较多， 因此布局应考虑以 为中心， 同时协调其他芯片的位置， 有效利用 顶层与底层空间， 元器件之间、 元器件与定位孔之 间要留有足够的空间。密码卡元器件布局如图 所示。 图 密码卡元器件布局 电源设计 在高速电路板的设计中， 电源系统的设计直接 关系到整个系统的成败。电源、 地所产生的噪声干 扰要降到最低限度， 以保证产品的可靠性 。采用 电源层式的电源分配方案， 电源通过整个层的金属 来分配电源， 能减小电源阻抗和噪声， 可靠性增强。 由于 板涉及多种电源， 需采用多电源层的设 计， 电源层可以作为噪声回路， 消除公共阻抗耦合 干扰 。使用去耦电容可以解决电源完整性问题， 因为电容只能放置在 顶层和底层， 所以连接去 耦电容的走线要尽量短而宽。根据芯片资料可估 算通过该电源线的电流， 确定布线导线的宽度， 走 线越宽， 载流能力越大， 其经验公式如下： 犠（ 线宽：）犔（）犐（ 电流：） 板上的多种电源需要通过背板从电源板 获得一种或两种输入电源， 再转换成元器件所需其 他电源。电源的转换常见有两种架构： 集中式电源 架构和分布式电源架构 。集中式电源架构是由 一个独立电源供电再转换为各种所需电源， 而分布 式电源 架 构 则 有多 级 电 源 转 换。前 者 成 本 高 且 占用面积较大， 所以本设计采用分布式电源架 构。在本设计中， 密码卡电路涉及种电源， 包括 、 、 、 、 、 ， 设计先从 插槽引入 和 电源， 电源通过电压 转换芯片产生 和 电源， 分别给接插件和 芯片供电； 电源再转换为 电源供 、 芯片使用； 最后 电源转换为 电源 供 、 芯片使用。密码卡的分布式电源架构 如图所示。 第期崔晨琪， 等： 基于 的高速密码卡 设计与研究 图 分布式电源架构示意图 过孔设计 对高密度多层 进行设计布局时， 需要使用 过孔， 它将信号由一层传输到另一层， 提供各层间 的电气连接 。设计过孔位置时需要注意， 焊盘上 不能放置过孔， 可用一段印制线连接， 否则容易产 生“ 立片” 、 “ 焊料不足” 问题 ； 在过孔焊盘涂上阻 焊剂， 可将距离设为 ， 对于焊接面上片式元件， 焊盘的中心位置不可放置过孔， 过孔位置如图 所示。 图 过孔位置 过孔位置不能过于靠近金手指， 金手指的插入 边应设计倒角， 为方便电路板插入 插槽， 插板 的两个侧边也可设计（ ） 的倒角。金手 指的设计如图所示。 图 金手指的设计 高速信号布线 布线是在布局之后， 按照原理图连线设计铜箔 的走线。在布线过程中， 也可适当合理调整布局， 尽量使连线最短， 从而减少串扰。在高速数字信号 布线时， 靠近多电源层的信号层布线应远离电源参 考平面， 避免信号电流产生不理想的返回路径。 高速电路时钟信号频率较高， 时钟信号的抖 动、 漂移、 畸变对系统有很大影响， 高速 的设计 就要求信号波形受干扰要小。所以， 要优先考虑系 统的时钟分配和走线等问题。高速时钟信号要优 先布线， 其中首要考虑系统的主时钟信号线， 走线 要尽可能的短， 走直线， 且避免过孔， 为防止时钟与 电源之间的干扰， 时钟信号也要避开电源部分。当 同一电路板上用到多个不同频率的时钟时， 两根不 同频率的时钟线不能并行走线， 而对于多个器件使 用同一频率时钟信号， 可采用蜘蛛型、 树状型、 分枝 型时钟分配网络 。 在高速密码卡中， 通过 板上晶振获 取 时钟， 经过 内部锁相环后产生 基本时钟用作芯片和芯片的接口操作 时钟， 然后经过内部分频电路提供 时钟作 为 内部的 软核和硬件电路的工作时 钟， 分频 作为芯片和芯片的工作时钟， 分频 作为芯片和芯片的工作时钟， 时 钟分配如图所示。 图 时钟分配 高速密码卡通过 插槽与 机进行高速 数据信号的传输， 采用差分对走线， 可尽量避免信 号完整性问题。差分信号中间一般不能加地线， 否 则会破坏差分对信号之间的耦合效应。而差分信 号布线完成之后， 可在 高速信号周围进行敷 铜， 将空余没有走线的部分用接地导线全部铺满， 能够提高电路的抗干扰能力。保持差分对的对称 性是 布线的关键， 若差分对长度不匹配， 降低 传输速率的同时也会影响系统读写数据准确性。 为保证系统在同一周期读取数据有效， 差分信号的 延迟差需保持在允许范围内， 所以其布线长度必须 严格等长。为此， 设计蛇形走线按照系统时序要求 调节延时可解决这一问题。本设计中 机通过 与密码卡进行通信， 高速信号的发送和接收 由差分信号对实现， 其 走线的长度匹配应该控 制在 以内， 蛇形走线控 制 长 度 匹 配 如 图 西安航空学院学报第 卷 所示。 图 蛇形走线控制长度匹配 结语 本文基于 总线提出了一种四类国密算法 的加密卡实现方案， 对高速电路系统的 设计进 行了分析和研究， 通过 工具开发 完成， 并经过 完成高速信号线的仿真验 证， 满足设计要求。制版完成后经过装载测试， 芯 片工作正常， 高速接口总线时序正确。 参考文献 国家密码管理局国家密码管理局公告第 号 ： 李木国， 黄影， 刘于之基于 的 总线接口的 传输设计计算机测量与控制， ， （） ： 江平柔性基板模块封装技术电讯技术， ， （ ） ： 游勇强探讨 中的微波学报， ， （ ） ： 黄智伟印制电路板（ ） 设计技术与实践北京： 电子工业出社， ： 乔洪高速 信号完整性分析及应用成都： 西南 交通大学， 江思敏 和电磁兼容设计北京： 机械工业出 社， ： 黄书伟， 卢申林， 钱毓清印制电路板的可靠性设计 北京： 国防工业出社， ： 王剑宇， 苏颖高速电路设计实践北京： 电子工业 出版社， ： ， ： ， ： 责任编辑、 校对： 郝 杰 犇 犲 狊 犻 犵 狀犪 狀 犱犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳犎 犻