（电路与系统专业论文）基于EDA软件的信号完整性仿真自动化技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 高速发展的互连设计技术对单扳信号完整性( s i ) 分析提出了更高的要求，在 设计中需要对大量的、复杂的、多条件的网络进行分析。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。单板s i 工程师需要花费 很多精力去设置、仿真和记录结果，最后还要编写规范的仿真分析报告。这些人工 的、重复性的工作都造成大量的时间和人力上的浪费，限制了仿真分析的效率和质 量。 针对这种问题，本课题提出了相应的仿真自动化方案，并研究实现了相关的关 键技术。通过充分利用e d a 工具的现有功能和资源，对e d a 工具进行软件开发， 让人工对e d a 工具进行的仿真操作步骤自动化，并且自动生成仿真分析报告。这 样就可以解除e d a 工具对设计人员的过多依赖，让设计人员的工作可以更多放在 分析和解决s i 问题上，有效地提高了仿真分析的效率，节省时间、人力和成本。 关键词：e d a 软件开发信号完整性仿真自动化 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r c o n n e c td e s i g nt e c h n o l o g y , h i g h e r d e m a n dh a sb e e np u tf o r w a r dt ot h es io fs i n g l eb o a r d ，m o r ec o m p l i c a t e da n d m 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 t o d a y se d at o o l s ， h o w e v e r , d e p e n do v e r 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 s i n g l eb o a r ds ie n g i n e e rh a v et 0s p e n dl o t so ft i m ea n dv i g o rd o i n gc o n d i t i o n s e t t i n g , s i m u l a t i n ga n dr e c o r d i n g , a sw e l la sw r i t i n gs i m u l a t i n gr e p o r t , w h i c hl e a d st o w a s t ei nt i m e 锄v i g o ra n dr e s t r i c tt h ee f f i c i e n c ya n d q u a l i t yo f s i m u l a t i o n f a c e dt h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rb r o u g h tr e l e v a n ts c h e m eo fs i m u l a t i o na u t o m a t i o n , r e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g y g i v e nt h ep r e s e n te d at o o l sa n dr e s o u r c e ，w e d e v e l o p e dt h es o f t w a r e ，w h i c hm a k i n gt h em a n u a lo p e r a t i o ni ns i m u l a t i o ni n t o a u t o m a t i o nm o d e a l s ot h es i m u l a t i o nr e p o r tc a l lb eb u i l ta u t o m a t i c a l l y t h r o u g ht h i s w a y ，t h eo v e r m u c hd e p e n d e n c eo np e o p l eo fe d a t o o l sc a nb er e l i e v e d ，w h i c hg i v e e n g i n e e rm o r et i m eo l ls o l v i n gs ip r o b l e m , w ec 锄a l s oa d v a n c e de f f i c i e n c yo f s i m u l a t i n ga n a l y s i s ，s a v i n gt i m e ，v i g o ra n dc o s t k e y w o r d s ：e d a s o f t w a r ed e v e l o p m e n t s i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i n ga u t o m a t i z 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。与找一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：占。毛涸i 二：；l 期：2 。6 - 偌 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：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。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。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 占志埔 同期：p 。6 j f6 绪论 绪论 在当今快速发展的电子设计领域，由集成电路芯片构成的电子系统是朝着大规 模、小体积、高速度的方向发展的。电子设计的体积减小导致了电路的布局布线密 度变大和集成电路输出开关速度提高，而同时信号的工作频率还在不断提高，互连 关系必须以传输线考虑，因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题、 反射、串扰、地弹电磁干扰、电源完整性等信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y , 简称s i ) 问题。信号完整性已经成为高速数字p c b 设计必须关心的问题之一。 随着计算机软硬件技术的不断发展，电子设计自动化e d a ( e l e c t t o n i c sd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术已经在信号完整性分析方面已经取得了巨大的成功。设计工程师利 用相关的e d a 工具可以直观、方便地分析信号完整性的各种因素，并能得到有效 的控制措施，这极大的提高了设计的效率和产品的第一次运行成功率。因此，信号 完整性分析工具的完善，就成为了e d a 技术进一步发展需要解决的关键课题。 现有的信号完整性仿真工具存在一些不完善的地方，仿真过程自动化程度不高， 对于设计人员的依赖性很大。设计人员( 主要指单板s i 工程师) 需要在e d ai 具 中对大量的，复杂的，多条件的网络进行分析，对一个网络“进行一次仿真条件设 置、进行仿真、分析结果，再进行下一次仿真条件的设置、进行仿真、分析结果”， 然后再分析下一个网络，这样不断地重复性工作，直至该设计的所有仿真完成， 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。 本课题源自华为公司与西安电子科技大学电路c a d 所合作开发的“e d a 软件 仿真自动化”项目，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，使得所有的仿 真条件设置操作都集中到每次仿真任务的最丌始，让所有的分析工作都留到仿真任 务结束后，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。 本论文围绕科研项目，重点论述了实现仿真自动化的总体设计方案和几个关键 模块及其技术。 论文共分四章： 第一章：e d a 信号完整性仿真自动化技术总体方案 介绍了e d a 信号完整性仿真软件相关的技术背景，论述了c a d e n c e 软件仿真流 程和完整性仿真自动化技术总体方案。 第二章：s i 仿真分析及拓扑图信息处理 2 基丁_ e d a 软件的信号完整性仿真臼动化平台技术研究 详细介绍了信号完整性中反射问题的分析与解决策略，描述了仿真控制条件的 数据结构，详细分析了拓扑图文件t o p 格式，介绍了拓扑信息的数据结构，并根据 仿真控制条件处理拓扑图文件。 第三章：仿真波形一体化浏览平台技术 详细分析了仿真波形数据s i m 文件的格式，描述了仿真波形的数据结构，同时 实现了波形缩放、动态刻度绘制等技术。 第四章：s i s a 的具体开发与实现 介绍了s i s a 平台的实际开发情况，并对平台进一步刀：发作了技术展望。 在论文的结束部分，对整个课题的研究工作做了总结。并在附录部分列出了仿 真报告输出结果的示例。 第一章e d a 软件信号完整性自动化技术总体方案 3 第一章e d a 信号完整性仿真自动化技术总体方案 1 1e d a 仿真工具自动化的技术背景 随着设计工艺逐渐加深，时序收敛和信号完整性的实现难度将进一步提高，其 工作量将占整个i c 设计工作量的7 0 左右。因此e d a 仿真和验证的工作量将增大， 相应的e d a 验证工具的应用也将增多。通信系统中高速板设计复杂性的日盏提高， 依赖某一种特定的c a d 工具已经无法在可接受的精度范围内完成整个设计仿真。 p c b 设计工程师和信号完整性( s i ) 设计工程师需要采用各种仿真工具。除了价格、 性能、速度和精度始终是选择工具集的主要准则之外，如何使用来自多家e d a 工 具软件供应商的c a d 工具来实现设计目标、s 1 分析和电磁干扰( e m i ) 设计规则，也 是设计工程师关注的重要问题。 目前，在e d a 工具领域，针对各种信号完整性问题的s i 设计工具有很多，比 如c a d e n c e 、s y n o p s y s 、i n n o v e d a 、m e n t o r 、z u k e n 、a n s o f t 等公司都有各自的s i 仿 真工具，对分析s i 问题的侧重点都有所不同。所以各业界厂家选择的e d a 工具也 各不相同。下面以封装厂家a s a t 、连接器厂家m o l e x 和华为高速实验室的e d a 软件配置为例，介绍各s i 仿真工具的侧重点。 配置如下： a n s o f th f s s s p i c e l i n k ； s y n o p s y s _ h s p i c e ； c a d e n c e _ s p e c c t r a q u e s t s i g x p ； c a d e n c ea l l e g r o 是目前通用的版图设计工具，由于c a d e n c es p e c c a a q u e s t 具备 与c a d e n c ea l l e g r o 相同的数据库，所以s p e c c t r a o u e s t 被用做板级仿真的主要工具， 避免了数据转换的问题；c a d e n c es i 。j , p ( 注：s i g x p 、s i g x p l o r e r 和s i g n a l x p l o r e r 指的是c a d e n c e 罩的同一个仿真工具，本文中部统称为s i g x p ) 主要是分析t o p 结 构及各器件模型参数，进行单网络s i 仿真。s y n o p s y sh s p i c e 是实现更精确分析的工 具；a n s o i ts p i c e l i n k 和h f s s 提供2 d 和3 d 场解决方案，对各种互连几何形状进行 分析( 通孔、连接器等) ，特别是需要高频分柝的时候。 但是由于互连设计技术的高速发展，对信号完整性的分析提出的更高的要求， 实际仿真过程中需要对大量的、复杂的、多条件的网络进行分析。现有的s i 仿真工 具存在一些不完善的地方。仿真过程自动化和智能化程度不高，对于设计人员的依 赖性很大。对于一次单板s i 仿真，单扳s i 工程师需要在e d a 仿真分析工具中对几 百甚至上千个网络进行仿真，而每一个网络需要对不同的条件进行多次设置，每次 4 荩丁e d a 软什的信号完整性仿真臼动化技术研究 设置后都要进行一次仿真和对结果的分析。整个过程中需要人不离机，而且整个仿 真完成后，设计人员还需要花费很多精力去编写仿真分机报告( 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。 因此e d a 工具采用更强大的自动化和智能化手段以提高高速p c b 的设计效率， 已经成为提升e d a 工具设计行业的一个重要发展趋势。 1 2 仿真自动化总体设计方案 目前，e d a 仿真分析工具在自动化方面存在着一些不足： ( 1 ) 每次只能进行一种类型的仿真，不能够一次设置完成多种仿真。 ( 2 ) 没有提供仿真设置的保存功能，使得每次仿真都要重复设置要求达到某 一指标而设置互联参数时，需要仿真人员手动的多次设置该参数。 记录l ( 仿真报告) 设置条件n仿真1 3 记录n ( 仿真报告) 网络二：网络二： 设置条件l 仿真l 呻记录l ( 仿真报告) 所有 q a 网络 设置条件n仿真n 记录n ( 仿真报告)叫 仿真 报告 网络n ：网络n ： 设置条件l仿真l呻记录l ( 仿真报告) 设置条件n仿真n 记录n ( 仿真报告) 图1 2 自动化的仿真流程 本流程方案主要需要解决的问题是： 6 基t - e d a 软件的信号完档性仿真自动化技术研究 ( 1 ) 所有待仿真的网络一次性设置，“批量”仿真，使工程师从等待仿真结束 中解放出来； ( 2 ) 设计人性化的界面，使工程师再也不用为设置一个网络打丌太多的界面； ( 3 ) 合理安排存放结果的文件央和文件夹名，使不同网络的仿真结果文件便 于管理； ( 4 ) 自动生成仿真报告，减少人工操作。 根掘新的仿真流程和需要解决的问题，该仿真自动化的方案设计思想是：针对 e d a 仿真工具，编写出相应的外包程序。在新程序的仿真和控制条件界面中，接受 用户输入的仿真设置信息，然后通过e d a 软件本身的对外通信接口，自动调用e d a 工具的仿真模块柬实现的仿真自动化目的。本程序对整个仿真过程的每次仿真和报 告输出进行自动调度并进行状态监控。最后自动将仿真结果按照固定的格式输出形 成符合要求的仿真报告：同时有只志记录。 图1 3 是整个仿真自动化系统的功能框图。该方案可以针对不同的信号完整性 仿真工具开发各自的仿真自动化模块。比如c a d e n c e 、h s p i c e 、a n s o f t 、h y p e d y n x 等e d a 仿真工具。 图t 3 仿真自动化系统功能框图 下面将先介绍c a d e n c e 仿真的相关操作和知识，然后介绍针对c a d e n c e 软件的 信号完整性仿真自动化技术方案设计。 1 i r 1 i r 1 i r回圆囤 第一章e d a 软件信号完祭性臼动化技术总体方案 7 1 2 1c a d e n c e 软件仿真介绍 下面简要介绍i b i s 仿真和如何使用c a d e n c e 软件对p c b 板进行仿真的，主要 包括七个方面，这几个方面，基本是按操作的先后顺序介绍的，但有些方面的操作 功能是重复的，只是使用的方法不同。然后简单介绍仿真的内部机制。 1 2 1 1i b i s 仿真简介 由于在高速电路设计中存在许多的信号完整性问题，为了确保产品的性能和 缩短开发周期，迫切需要进行电路的板级仿真。仿真的手段主要有s p i c e 仿真和 i ob u f f e ri n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ( 简称i b i s ) 仿真等。i b i s 模型只涉及器件i o b u f f e r 的电气特性，不包含器件内核的结构、工艺和性能等信息，从而有效保护了 i c 开发商的知识产权，因此与s p i c e 模型相比，i b i s 模型比较容易从器件生产厂 家获得；同时i b i s 仿真具有很高的精度，而且其仿真速度比s p i c e 仿真速度快2 5 倍左右。本论文只介绍c a d e n c e 的i b i s 仿真。 信号完整性分析使用i b i s 模型有许多优点。i b i s 的参数基本七以表格的形式 列出，在作信号完整性估计的时候，不需要在晶体管一级使用晶体管的信号模型 来进行一些方程的求解。一方面节约时间，另一方面，i b i s 模型是根据仿真结合 测试所得出的参数，用户在一定的语法格式下，也可以结合实际的测试结果对参 数进行修改。使之与实际工作情况更接近，所以能达到一定的仿真精度，具有更 大的灵活性。 由于i b i s 仿真模型不但含有每个引脚的寄生参数，如封装寄生电感、电容和 电阻，而且有表示信号沿速率的d v d r 和端口特征的v ，i 曲线，所以m i s 仿真具 有精度高、仿真速度快的特点，被现在的e d a 软件广泛采用，如c a d e n c e 和m e n t o r 等。c a d e n c e 软件的大体仿真步骤为： ( 1 ) 从半导体厂家获取i b i s 模型。 ( 2 ) 进行i b i s 模型的校难，这一步非常重要，因为有时候厂家提供的i b i s 模型有错误。 ( 3 ) 在原理图设计时，将相应的i b i s 模型赋予每个器件，然后进行p c b 设 计。 ( 4 ) 提取需要仿真的每个网络的拓扑结构。 ( 5 ) 在源端加上仿真激励，然后进行仿真。如果存在信号完整性问题，可 以修改端接匹配或p c b 设计，然后再进行仿真，直到满足信号完整性要求。 下一节介绍c a d e n c e 仿真的具体操作，主要是( 4 ) 和( 5 ) 这两步。 8 基fe d a 软件的信号完整性仿真自动化技术研究 1 2 i 2s l 仿真操作简介 一在c a d e n c e 中进行s 1 分析的几种方式： 1 ) a l l e g r o 的p c b 版图界面，通过相应的菜单、对话框操作处理可以得到需要 的仿真结果。 2 ) 使用s p e c c t r a q u e s t 打开* b r d 文件，进行必要设置，通过处理直接得到结果。 这实际与上述方式类似，只不过是两个独立的模块，真i f 的仿真软件是下面的s i g x p 程序。 3 ) 直接打开s i g x p 建立拓扑进行仿真分析。 幽1 4 a l l e g r o 界面( s p e c c t r a q u e s t 界面与此类1 以) 二、设置仿真参数： 在正式进行仿真之前，需要对各参数进行设置。这个步骤可以在a l l e g r o 和 s e e c c w a q u e s t 模块旱，也可以在s i g x p 中完成。 三、选择仿真网络( 用探针p r o b e 指定仿真信号线) ( 1 ) 在s p e c c t r a q u e s t 中选中a n a l y z e s f e m is i m w r o b e 命令，在弹出的s i g n a l a n a l y s i s 窗口中，可以选择任何一个信号线( 也就是一个网络) 进行仿真。 ( 2 ) 在a l l e g r o 中选中t o o l s w o p y l o g ye x t r a c t ，在弹出的t o p y l o g y - - t e m p l a t e 窗口中。可以选择任何一个信号进行仿真。 第一章e d a 软件信号完整性白动化技术总体方案 9 四、生成仿真结果报告、设定报告包括的参数 在s p e c c t r a q u e s t 中，选中要进行仿真的信号线之后，点击下方r e p o r t s 功能键， 在弹出a n a l y s i sr e p o r t g e n e r a t o r 窗口( 见图1 6 ) 里进行不同的参数条件设置，如s s n 、 r e f l e c t i o n 、c r o s s t a l k 等等，参数设置完成之后，点击a e a g er e p o r t 就可以分别生成 对反射、串扰、地弹等情况的仿真结果报告。 图1 5s p e c c t r a q u e s t 中网络选择界面 翻1 6s p e c , c t r a q u e s t 中r e p o r t s 产生界面 五、提聊建立电路拓扑结构，进行仿真 1 ) 通过在a l l e g r o 和s p e c c t r a q u e s t 界面提取电路拓扑结构 l o 基丁ie d a 软什的信号完整性仿真自动化技术研究 2 ) 直接在s i g x p 中建立拓扑结构： 两种方法都要进行以下操作： 设置驱动源波形( 设置激励类型) ； 仿真以及更改电路条件重复仿真； 布局布线不变，改变参数条件重复仿真； 参数条件不变，改变布局布线，相应的拓扑结构也改变，再重复仿真。 图1 7s i g x p 界面 六、仿真结果分析 仿真结果见图1 7 中图形窗口下面的r e s u l t s 标签栏罩的表格，在s i g x p 事对拓 扑图的仿真完毕后，会自动调用s i g w a v e 显示波形图，这样我们就可以结合仿真结 果，对照信号波形图一起进行分析。一般要求噪声裕量足够大，上冲和f 冲不要超 过规定电压，没有明显的振铃现象，波形没有严重失真等等，这是具体进行仿真分 析时要注意的地方。 第一章e d a 软件信号完辂性臼动化技术总体方案 1 1 图i 8 s i g w a v e 界面 七、电气约束规则的定义 经过仿真，基本可以找出最佳的阻抗匹配及布线长度等要求。此时，我们可以 产生电气规则，以约束下一步的布局白线。其大致的操作是：在s i g x p 的s e t 下拉 菜单下选择c o n s t r a i n t s 。然后即可根据需要定义各项规则。 1 2 1 3s i 仿真的内部机制简介 一s i g n o i s e 仿真子系统 一旦涉及到c a d e n c e 仿真，我们就会提起s i g n o i s e 这个名词，它是对信 噪、串扰和电磁兼容进行分析的工具环境，包括t l s i m 仿真引擎、s i g w a v e 波形显示器、d m l 建模语占转换器和一个库模型编辑管理子系统。s i g n o i s e 直接整合在s p e c c t r a q u e s t 平台、s i g x p 和a l l e g r oe x p e r t 中，它们从 互连的物理和电气角度提供不同的仿真结果。 仿真引擎f l s i m 在s p e e e t r a q u e s t 或s i g x p 中丌始仿真时，程序都会调用t l s i m 强e 这个 进程，仿真结束时t l s i r a e x e 也自动结束。t l s i m e x e 才是真正产生仿真数据 的进程，它将仿真数据写进特定目录下的s i r e 文件中或者放在内存中。将 s p e c c t r a q u e s t 或s i g x p 关掉后，t l s i m c x e 还会继续运行直到仿真结柬。 t l s i m 1 0 9 文件记录了仿真起始时问、结束时间和仿真步长等信息。 基丁e d a 软什的信号完整性仿真白动化技术研究 一仿真的实质 c a d e n c e 仿真程序最终完成的动作就是对网表文件进行仿真。这个网表 文件是由软件动态、自动生成的，在s i g x p 中点击仿真按钮的时候就开始 生成了，然后系统在后台启动t l s i m 对网表进行仿真，得到结果后又启动 s i g w a v e 进行波形显示。 1 2 2 基于c a d e n c e 的仿真自动化技术方案设计 在研究了c a d e n c e 仿真过程、方法以及内部机制的基础之上，本节根据酊面 提出的仿真自动化系统功能框图( 见图1 3 ) ，提出了基于c a d e n c e 的仿真自动化 方案，第0 层设计如图1 9 。 图1 9c a d e n c e 仿其口动化设计方秉 其中s i s a l 0 ( s i s a 是s i g n a li n t e 鲥t ys i m d a t i n ga u t o m a t i z a t i o n 的缩写，信号 完整性仿真自动化的意思) 就是我们丌发的信号完整性仿真自动化乎台，用户通过 该软件设置网络的仿真类型，拓扑结构，以及其他的一些仿真条件，软件自行运行， 最后按照标准的模板，输出仿真报告。 其中p c b 图设计工具接口、s i 仿真工具接口和w o r d 接口部是接口模块，这些 模块负责完成s i s a l 0 与外部软件p c b 图设计工具a l l e g r o 、s i 仿真工具s i g x p 和 m i c r o s o f tw o r d 的通信功能。 其中b r d 文件是需要仿真的p c b 图文件、t o p 和+ s i m 文件是仿真过程中产 生的仿真文件，d o c 文件是最终产生的仿真报告。 第一章e d a 软，i ：信号完整性自动化技术总体方案 1 3 1 2 2 1s i s a 系统介绍 1 系统结构与模块划分 s i s a 软件第一层设计如图1 1 0 ，分为六个模块：仿真条件整理模块、控制条 件整理模块、调度监控模块、调用仿真工具模块、仿真报告输出模块、日志模块。 图1 1 0 祭体数据流框图 1 ) 仿真条件整理和控制条件整理模块 这两个模块关系密切，可以看作一个整体，功能是把b r d 文件中的所有网络名 称提取出来，以便让用户选取网络进行仿真条件和控制条件的设置。并把用户设置 的信息写入到b r d 文件网络属性中。 2 ) 调度监控模块 与a l l e g r o 交互，读取a l l e g r o 中已打丌的b r d 文件的网络属性中相应的仿真条 件信息和控制条件信息，提取待仿真网络的自d p 图，结合各个b o p 文件信息，组合 出若干条仿真记录，并逐条修改t o p 图文件，把新t o p 图文件传给调用仿真工具模 块进行仿真；同时监控仿真当i i 状态，处理仿真异常：仿真完成后给仿真报告模块 提供相应信息( 波形图文件、t o p 图文件、基本信息文件) 。 3 ) 仿真报告输出模块 本模块是整个仿真工具中的终端，包括波形图绘制与输出、t o p 图绘制与输出和 文本信息输出三个子模块。通过此模块可以将仿真结果文件中的图文信息进行重新 整理，以w o r d 模板所规定的格式输出，供仿真人员查看分析。 4 ) 日志模块 1 4 基y - e d a 软4 i ：的信号完整性仿真臼动化技术研究 通过写信息子模块将其他模块传递的信息记录在f j 志文件中。 5 ) 调用仿真工具模块 打开已经由调度监控模块生成的可以用来仿真的t o p 文件。启动s i 【g x p 的日志 文件，把激励信息输入到s i g x p 中，再利用s k i l l 语言在s i g x p 中运行包含仿真步 骤的宏命令，实现仿真。最后将仿真波形文件以及仿真文本结果保存到指定的路径 下，返回给调度监控模块。 2 ，数据与模块接口 系统数据按照存储方式不同，而与模块的关系也不同。对于标准的p c b 文件 b r d 、拓扑图文件t o p 要存成文件。仿真参数设置、仿真控制条件设置、仿真状态 等的结果的给出，如文本、列表和c h e c k l i s t 等，都由相应的模块直接或间接给 出。 下面对数据和模块的关系进行描述： 仿真条件整理模块的数据以文本形式给出，将被控制条件整理模块和仿真报告 输出模块两个模块调用。 控制条件整理模块的数据也是以文本形式给出，将被调度监控模块和仿真报告 输出模块两个模块调用。 调度监控模块属于后台模块，它的数据以类的形式保存在内存中，跟各模块部 有联系。 日志模块实时的数据也是以类的形式保存在内存中。与调度监控模块联系紧密， 保存的结果是以文本形式给出。 * b r d 文件、拓扑图文件，t o p 本身是都文本文件，读进来后将以类的形式也是 以类的形式保存在内存中，将被仿真条件整理模块和仿真报告输出模块两个模块调 用。 调用仿真工具模块输出结果的数掘结构以类的形式给出，将被调度监控模块和 仿真报告输出模块两个模块调用。 3 工作流程 根据整个方案的设计思想，s i s a 软件的工作流程图如图1 1 l ( 注：流程的每个 操作都有同志信息输出，在工作流程图中未注明) 。 第一章e d a 软什信号完整性白动化技术总体方案 1 5 巫巫：卜k 唧搿) 叫型墨竺亟 1 2 2 2 关键技术 读取b r d 文件 提取所有待仿真m 络的设置信息 提取下一个嘲络改置信息 调用a l l e = 卫r o 挺取拓扑幽 提取成功? 根毙仿真改置对提取的拓扑圈进行修改 调用s i g x p l o r e r 仿真该拓扑文件 是 将该次仿真结果追加到仿真撤 芝苎童! ! 笙 上足 卤幽 本方案中主要包括以下关键技术： ( 1 ) 本软件与c a d e n c e 的通信接口实现自动化的基础 采用c a d e n c e 内置的功能扩展语言s k i l l 作为桥梁实现通信功能。 由于c a d e n c e 软件a l l e g r os p b1 5 2 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本软件与c a d e n c e 之间的通信功能，经过对c a d e n c e 仿 真工具的研究，最终采用c a d e n c es k i l l 语占的与c 语占通信的功能，并且利用 a u t o m a t i o n 技术建立了两个自动化服务器a l l e g r o s e r v e r 和s i g x p s e r v e r ( 注： 这两个服务器分别对应图1 9 中p c b 图设计工具接口和s l 仿真工具接口) ，向 s i s a 提供控制a e g r o 和s i g x p 的接1 3 函数，这样就可以达到从s i s a 中控制 1 6 基t - e d a 软件的信号完整性仿真白动化技术研究 a l l e g r o 和s i g x p 的目的了。 舢啪咖絮7事， s i s a 图1 1 2s i s a 与c a d e n c e 的通信接口i ! i 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 提供进程问通信函数集以支持与c 语言之l 日j 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 丌发的新功能具有更好的操作性。 s k i l l 作为c a d e n c e 软件的内置丌发语言，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。 ( 2 ) e d a 仿真数据的提取与恢复 包括拓扑图和波形图文件格式的研究与数据结构的建立( 扩展性) ，并根据 相应的数据结构绘制出波形图和拓扑图( 准确性) 。 主要涉及到读取分析拓扑图t t o p 文件和波形+ ，s i r e 文件，建亟相应的数据结 构，实现拓扑图、波形图绘制算法，输出仿真报告所需要的图片。波形数据部分 的技术将在后面的第三章详细论述，这黾不详细介绍。 ( 3 ) 各种仿真命令和各类图文信息的综合 包括仿真条件和控制条件整理信息、同志信息和仿真报告信息的规划( 合理 性、完备性、标准化) 。 主要涉及到对c a d e n c e 仿真条件进行分 厅，对网络拓扑类型、电阻匹配类型、 驱动端变化等进行总结归类，并建立这些信息的数据结构；对日志信息的分类； 对仿真报告所需内容进行综合。s 1 分析、拓扑文件格式分析和控制条件整理相关 技术这里不详细介绍，将在第二章详细讲述。 ( 4 ) 仿真过程的调度监控 自动安排各次仿真与报告输出的先后顺序、自动分析条件并修改t o p 图文件、 第一章e d a 软t l ：信号完整性自动化技术总体方案 自动调用仿真工具、监控并提取当前仿真状态信息以及处理异常( 自动化、智能 化) 具体涉及到与c a d e n c e 的交互，组合各种仿真控制条件，分析网络拓扑类型、 电阻匹配类型、驱动端变化等条件，并结合实际s 1 分析中的仿真规则修改拓扑文 件，使其成为可以被s i g x p 成功仿真的拓扑图，让调用仿真工具模块来调用s i g x p 对新拓扑图仿真，在仿真过程中，对仿真异常进行处理、对仿真结束标志进行判 断，然后通知仿真报告模块输出与仿真控制条件对应的一段报告。每组条件按此 循环操作直至所有条件都仿真结束。 ( 5 ) 自动导出仿真报告、同志文件 自动连接外部的字处理软件w o r d 并输出仿真报告( 无缝性) ，实时记录日志 信息( 实时性) 。 其中与w o r d 的通信功能可以利用m i c r o s o f t0 m c e 软件所支持的a u t o m a t i o n 技术实现。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，从o f f i c e2 0 0 0 起，就已经开始全面支持a u t o m a t i o n 技术。w o r d 所暴露出的a u t o m a t i o n 对象允 许客户端程序使用其对操作用户提供的几乎所有功能，5 如建立、打开、保存文档； 添加、设置和删除文档内的任何内容等。 使用a u t o m a t i o n 技术可以在一个应用程序中创建和管理另一个应用程序的对 象，或者创建访问和管理对象的工具。他们之问的相互作用是建立在服务器客户 机模型上的，其中，根据程序是受惠者还是施惠者这一原则，将提供对象和对象 属性方法的应用程序称为自动化服务器端，操作a c t i v e ) ( 对象的应用程序叫做自动 化的客户端。 + 进程仂界 a u t 。髓ti 。n 服务器端 a u t o m a t i o n 客户端 定义并暴露a c t i v e x 对象 1 访口j 或创建a c t i v e x 对象 ，2 调j j 对象的属性或方法 nm ：- 雠：“” l o b j e c t1 “w l e d l ：i i 一 i ”目2 二 ； 一1 例i 1 3a u t o m a t i o n 服务器客户机模型 在与c a d e n c e 的通信接口中和仿真报告输出模块中都用到了a u t o m a t i o n 技术， 在开发s i s a 平台中顺利地完成了自动仿真和输出仿真报告的工作，并且使得整个 1 8 基丁e d a 软卅：的信号完整性仿真自动化技术研究 过程真j 下做到了无缝化，达到了设计之初提出的性能要求。 由于本谋题是由多入合作完成，本章以后仪对s i 仿真条件的分析与处理、拓 扑图文件的分析预处理( 属于调度监控模块) 和仿真波形数据的提取与恢复( 波 形绘制模块，属于仿真报告输出模块的子模块) 作详细的论述。 第二二章s i 仿真分析及拓扑幽信息处理 1 9 第二章si 仿真分析及拓扑图信息处理 本章主要讲述的是调度监控模块中的关键部分- s l 仿真的分析及拓扑图文 件的处理。首先研究了信号完整性反射问题的分析及解决方法，包括各种网络拓 扑类型、匹配方式、布线延迟、变换驱动等。然后综合总结出各种控制条件，分 析拓扑图文件格式，通过程序实现处理每种情况的算法，最后给出了程序运行的 结果。 2 1 信号完整性问题的分析及解决方法 在高速p c b 中，互连线上的信号质量是影响电路性能和稳定性的主要因素， 因此高速p c b 中的信号完整性问题主要表现在互连效应上，互连效应包括的范围 较为广，通常包括串扰、时延、反射、过冲、下冲等。 根据项目的实际需求，单板s i 工程师利用c a d e n c e 仿真工具对p c b 单板进行 信号完整性分析仿真时，绝大多数情况是对单网络互连线上的延迟和反射问题进 行分析仿真，所以这晕的讨论仅仅涉及延迟和反射分析。 延迟是指信号在p c b 板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端出发到达 接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速 数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。 对于延迟产生的s i 问题，可以对p c b 布局布线进行调整修改来消除和减小。 这里不再详细讨论。下面主要详细讨论反射问题。 2 1 1 反射问题的分析及解决 当p c b 板上传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一 部分信号将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和 下冲。信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。 解决反射的根本办法是使信号具有良好的终端匹配，控制传输线的长度。同 时也可利用i b i s 仿真对系统信号进行优化。 为了减小或消除反射，除了使互连线的特性阻抗保持恒定外，在互连线两端通 常采用源端匹配和终端匹配，即在源端添加串联的分立元件或在末端添加并联的 分立元件根据不同的器件工艺和应用场合，采取不同的端接匹配方法。 1 点对点拓扑端接匹配方式 ( 1 ) 始端匹配 基t - e d a 软千1 ：的信号完绉性仿真自动化技术研究 采用串联端接匹配，其匹配原则是：缓冲器输出阻抗与串联阻抗之和尽量接 近子互连线的特性阻抗；出于传输线时廷的原因，互连线输入端的波形呈现阶梯 状，所以应尽量不使用该点信号来设计其他的电路。 络。 图2 1 点对点始端匹配图 ( 2 ) 终端匹配 常见的点对点拓扑终端匹配端接方式为：并联匹配；戴维南端接匹配；r c 网 幽2 2 点对点终端匹配l 璺i 不同的端接匹配方法，各有其优点和缺点，应报据具体设计( 拓扑结构) 选 择性能最优的端接匹配方法。 串联端接匹配对点对点的走线是最佳的，但是当t t l 、c m o s 器件同时出现 在相同的网络上时，串联端接匹配不是最佳选择( t t l 、c m o s 在逻辑高及低状念 时具有不同的输出阻抗) ；并联端接和戴维南端接匹配对具有快速时钟脉冲的总 线及点到点的网络是首选的，但会增加系统的功耗；r c 网络有很低的直流功耗， 比较适合应用于t 1 l 和c m o s 电路，但是它将使非常高速的信号速率降低，而且 在电容充电过程中会导致反射，所以对于高频、快速上升沿的信号应多加考虑。 2 多负载结构的匹配方案 两器件问点对点互连线上的信号完整往是最好的，但是多数电路都需要将几 个器件连接在一个网络上，形成多支路网络。常见的多支路拓扑结构有菊花链、 近端星( 簇) 形和远端星( 簇) 形。图2 3 为菊花链拓扑结构的端接匹配： 第二二章s i 仿真分析及拓扑幽信息处理 2 1 主路径 豳2 3 菊花链结构的端接匹配幽 近端星形和远端星形的串联端接、并联端接匹配方式： 图2 4 近端星形结构 端揍放置 j 寻虽聂 r 幽2 5 远端星形结构的串联端接与并联端接匹配 这些拓扑结构和匹配方式是进行反射仿真的理论基础，也是下面的仿真控制 条件整理与拓扑图分析的依据。 2 1 2 仿真控制条件整理 通过分析总结实际s i 反射仿真分析中遇到的拓扑结构、相应的匹配方式、布 线延迟和驱动端变换等情况，我们把这些归纳为仿真控制条件，并建立相应的数 据结构。目前实际仿真分析中遇到的绝大部分反射仿真的情形如图2 6 所示，对于 一个网络，每种拓扑类型是互斥的，每种匹配方式也是互斥的，所以总共有1 6 种 仿真情况。而每种情况下的匹配电阻值都是要改变的，每改变一次，就多了一组 仿真控制条件：对于变换驱动端的情况，每改变一次驱动端，也多了一组仿真控 制条件对于这么多复杂的变化情况，必须建立一个合理的数据结构来组合、整 理仿真控制条件。 基1 - e d a 软r i ：的信号完整性仿真自动化技术研究 幽2 6 人部分反射仿真的情形幽 经过对实际c a d e n c e 仿真的过程步骤和规则要求的分析研究，对单板中所有 网络的仿真条件信息和控制条件信息建立了相应的数据结构，所建芷的数据结构 是一个链表c