DDR布線舉足輕重，一文看懂背后的大學(xué)問

DDR布線在PCB設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位，設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就是要保證系統(tǒng)有充足的時(shí)序裕量。要保證系統(tǒng)的時(shí)序，線長匹配又是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。我們來回顧一下，DDR布線，線長匹配的基本原則是：地址，控制/命令信號與時(shí)鐘做等長。數(shù)據(jù)信號與DQS做等長。為啥要做等長？大家會(huì)說是要讓同組信號同時(shí)到達(dá)接收端，好讓接收芯片能夠同時(shí)處理這些信號。那么，時(shí)鐘信號和地址同時(shí)到達(dá)接收端，波形的對應(yīng)關(guān)系是什么樣的呢？我們通過仿真來看一下具體波形。

建立如下通道，分別模擬DDR3的地址信號與時(shí)鐘信號。

圖1 地址/時(shí)鐘仿真示意圖

為方便計(jì)算，我們假設(shè)DDR的時(shí)鐘頻率為500MHz，這樣對應(yīng)的地址信號的速率就應(yīng)該是500Mbps，這里大家應(yīng)該明白，雖然DDR是雙倍速率，但對于地址/控制信號來說，依然是單倍速率的。下面來看看波形，在地址與時(shí)鐘完全等長的情況下，地址與數(shù)據(jù)端的接收波形如下圖2，紅色代表地址信號，綠色代表時(shí)鐘信號。

圖2 時(shí)鐘信號與地址信號波形

上面的波形我們似乎看不出時(shí)鐘與地址之間的時(shí)序關(guān)系是什么樣的，我們把它放在一個(gè)眼圖中，時(shí)序關(guān)系就很明確了。這里粗略的計(jì)算下建立時(shí)間與保持時(shí)間。如下圖

圖3 時(shí)鐘信號與地址信號波形

由上圖3.我們可以知道，該地址信號的建立時(shí)間大約為891ps，保持時(shí)間為881ps。這是在時(shí)鐘與地址信號完全等長情況下的波形。如果地址與時(shí)鐘不等長，信號又是什么樣的呢？仿真中，我們讓地址線比時(shí)鐘線慢200ps，得到的與眼圖如下：

圖4 時(shí)鐘信號與地址信號波形

由上圖可知，在地址信號比時(shí)鐘信號長的情況下，保持時(shí)間為684ps，建立越為1.1ns?？梢?，相對于地址線與時(shí)鐘線等長來說，地址線比時(shí)鐘線長會(huì)使地址信號的建立時(shí)間更短。同理，如果時(shí)鐘線比地址線長，則建立時(shí)間會(huì)變長，而保持時(shí)間會(huì)變短。那么雙倍速率的數(shù)據(jù)信號又是怎樣的？下面通過具體的仿真實(shí)例來看一下。

圖5 DQ 與 DQS仿真示意

仿真通道如上圖所示，驅(qū)動(dòng)端和接收端為某芯片公司的IBIS模型，仿真波形如下：

圖6 DQ與DQS仿真波形

我們將DQS和DQ信號同時(shí)生成眼圖，在一個(gè)窗口下觀測，結(jié)果如下：

圖7 DQ與DQS眼圖

如上圖所示，大家可能發(fā)現(xiàn)了，如果按照原始對應(yīng)關(guān)系，數(shù)據(jù)信號的邊沿和時(shí)鐘信號的邊沿是對齊的，如果是這樣，時(shí)鐘信號怎樣完成對數(shù)據(jù)信號的采樣呢？實(shí)際上并不是這樣的。以上仿真只是簡單的將兩波形放在了一起，因?yàn)镈Q和DQS的傳輸通道長度是一樣的，所以他們的邊沿是對齊的。實(shí)際工作的時(shí)候，主控芯片會(huì)有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制。一般數(shù)據(jù)信號會(huì)比DQS提前四分之一周期被釋放出來，實(shí)際上，在顆粒端接收到的波形對應(yīng)關(guān)系應(yīng)該是這樣的：

圖8 平移后的眼圖

通過主控芯片的調(diào)節(jié)之后，DQS的邊沿就和DQ信號位的中心對齊了，這樣就能保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)浇邮斩擞凶銐虻慕r(shí)間與保持時(shí)間。和上面分析時(shí)鐘與地址信號一樣，如果DQ與DQS之間等長做的不好，DQS的時(shí)鐘邊沿就不會(huì)保持在DQ的中間位置，這樣建立時(shí)間或者保持時(shí)間的裕量就會(huì)變小。先簡單的來看一張圖

圖9 延時(shí)偏差對時(shí)序的影響

上圖中，T_vb與T_va表示的是主控芯片在輸出數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間的時(shí)序參數(shù)。在理想情況下，時(shí)鐘邊沿和數(shù)據(jù)電平的中心是對齊的，由于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸通道不等長，使得時(shí)鐘邊沿沒有和數(shù)據(jù)脈沖的中間位置對其，使得建立時(shí)間的裕量變小。在理解了這些基礎(chǔ)問題之后，我們需要做的就是將這些時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)化為線長。

下面我們通過具體實(shí)例來看看時(shí)序的計(jì)算，下圖是Freescale MPC8572 DDR主控芯片手冊，這張圖片定義了從芯片出來的時(shí)候，DQS與DQ之間的相位關(guān)系。

圖10 MPC8572時(shí)序圖

圖11 MPC8572時(shí)序參數(shù)

顆粒端為美光DDR，該芯片的時(shí)序圖以及時(shí)序參數(shù)如下圖所示，這張圖片則定義了顆粒端芯片識(shí)別信號所需要的建立時(shí)間與保持時(shí)間。

圖12 DDR顆粒時(shí)序圖以及時(shí)序參數(shù)

我們用T_pcbskew來表示DQ與DQS之間的延時(shí)偏差，如果想要得到足夠的時(shí)序裕量，則延時(shí)偏差要滿足以下關(guān)系：

T_pcbskew《T_vb-T_setup

T_pcbskew》T_hold-T_va

代入數(shù)據(jù)，有：

T_vb-T_setup=375-215=160ps

T_hold-T_va=-160ps

這樣，如果傳輸線的速度按照6mil/ps來計(jì)算，T_pcbskew為+/-960mil。大家會(huì)發(fā)現(xiàn)裕量很大，當(dāng)然這只是最理想情況，沒有考慮時(shí)鐘抖動(dòng)以及數(shù)據(jù)信號的抖動(dòng)，以及串?dāng)_、碼間干擾帶來的影響，如果把這些因素都考慮進(jìn)來，留給我們布線偏差的裕量就比較小了。

綜上所述，時(shí)序控制的目的就是要保證數(shù)據(jù)在接收端有充足的建立時(shí)間與保持時(shí)間，明白了這一點(diǎn)，我們在線長匹配這個(gè)問題上就能做到胸有成竹，游刃有余了。