《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Hyperlynx的DDR2嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2010年第15期
李國(guó)亮
(廣州凱媒通訊技術(shù)有限公司,廣東 廣州 510665)
摘要: 介紹了DDR2嵌入式系統(tǒng)的仿真模型以及Hyperlyxn仿真工具,并基于Hyperlyxn仿真工具對(duì)IBIS模型進(jìn)行仿真分析,給出了一個(gè)具體的DDR2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介紹了DDR2嵌入式系統(tǒng)的仿真模型以及Hyperlyxn仿真工具,并基于Hyperlyxn仿真工具對(duì)IBIS模型進(jìn)行仿真分析,給出了一個(gè)具體的DDR2嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法。
關(guān)鍵詞: DDR2;嵌入式系統(tǒng);Hyperlyxn;IBIS模型

    現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)和芯片制造技術(shù)正在飛速發(fā)展,電路的復(fù)雜度、元器件布局以及布線(xiàn)密度、開(kāi)關(guān)速度、時(shí)鐘和總線(xiàn)頻率等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)都呈快速上升趨勢(shì)。當(dāng)上升時(shí)間超過(guò)傳輸延時(shí)的1/6時(shí),反射、串?dāng)_、振蕩以及傳輸線(xiàn)效應(yīng)等涉及到的時(shí)序、信號(hào)完整性(SI)、EMI等一系列問(wèn)題決定著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗。特別是DDR2系統(tǒng),可支持高達(dá)9.6 GB/s的帶寬(FB-DIMMs),時(shí)鐘頻率高達(dá)0.9 GHz[1-2],高速DDR2系統(tǒng)的信號(hào)完整性和時(shí)序問(wèn)題,己經(jīng)成為設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素之一。因此,在印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)完成之前,運(yùn)用仿真工具對(duì)PCB進(jìn)行板級(jí)的信號(hào)完整性仿真和時(shí)序分析,進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的優(yōu)化,可以發(fā)現(xiàn)調(diào)試過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題,從而可節(jié)約成本、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。
1 模型的選取
    在基于計(jì)算機(jī)分析信號(hào)完整性和時(shí)序分析的過(guò)程中,建立實(shí)際驅(qū)動(dòng)IC的模型十分關(guān)鍵。目前主要有三種可以用于PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析的模型:SPICE模型、IBIS模型和AMS模型[3-5]。
    IBIS模型由于采用IN和V/T表的形式來(lái)描述I/O單元和引腳的特性,不但方便易得,而且不依賴(lài)于不同的仿真工具,計(jì)算量較小。
    SPICE模型需要IC廠(chǎng)商提供詳細(xì)、準(zhǔn)確描述I/O單元的內(nèi)部設(shè)計(jì)和晶體管制造參數(shù)這些涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)密數(shù)據(jù),所以SPICE模型不易獲取。其分析精度主要取決于模型參數(shù)的來(lái)源(即數(shù)據(jù)的精確性)以及模型方程式的適用范圍。使用不同仿真工具進(jìn)行SPICE模型仿真時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同的分析精度。
    AMS建模語(yǔ)言與IBIS模型同樣也是數(shù)據(jù)形式來(lái)描述IC的特性,可以應(yīng)用在多種不同類(lèi)型的仿真工具中。AMS模型在PCB板級(jí)信號(hào)完整性分析中的可行性和計(jì)算精度毫不遜色于SPICE和IBIS模型,但目前支持的仿真工具還不是很多。
    綜合比較上述三種模型,由于IBIS模型的方便、快捷、具有必要的精確度以及精度不依賴(lài)于仿真工具的優(yōu)點(diǎn),本文選取IBIS模型進(jìn)行仿真。
2 仿真工具的選取
    Mentor公司推出的仿真工具其功能十分強(qiáng)大,Hyperlynx可進(jìn)行多電路板分析,包括趨膚效應(yīng)、電介質(zhì)損耗效應(yīng)、損耗傳輸線(xiàn)效應(yīng)的精確模擬,具有數(shù)千兆位信號(hào)的內(nèi)部符號(hào)干擾圖表分析功能;可為多位激勵(lì)源、抖動(dòng)、眼圖和眼罩定義區(qū)域;可以建立隨頻率變化的過(guò)孔模型而進(jìn)行分析;進(jìn)行差分信號(hào)模擬和分析來(lái)對(duì)包括差分阻抗和不同終端負(fù)載的優(yōu)化;Terminator Wizard能夠分析并計(jì)算出使用包括串聯(lián)終端、并聯(lián)、并聯(lián)交流電和差分最佳的終端方案;通過(guò)輻射法和傳輸線(xiàn)電流分析來(lái)發(fā)現(xiàn)EMC故障問(wèn)題;支持所有的PCB布線(xiàn)和布局程序[6-7]。
    Hyperlynx還可方便地采用IBIS或HSPICE模型進(jìn)行仿真,自帶7 000個(gè)通用IC模型庫(kù),或根據(jù)數(shù)據(jù)簿信息運(yùn)用可視化IBIS編輯器允許測(cè)試和編輯IBIS模式來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)的模型。Hyperlynx還具有界面友好、方便易用的優(yōu)點(diǎn)。綜合Hyperlynx的優(yōu)點(diǎn),本文選取Hyperlynx進(jìn)行仿真分析。
3 設(shè)計(jì)實(shí)例
    下面給出應(yīng)用Hyperlynx7.7前仿真工具Linesim和級(jí)仿真工具Boardsim利用IBIS模型對(duì)基于MIPS架構(gòu)的XLS606 CPU的信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行分析。
    CPU的最大外頻為1 GHz,內(nèi)存選用Micron公司的DDR2-800,信號(hào)線(xiàn)走中間層,參考上下兩層地,因?yàn)樾盘?hào)工作頻率達(dá)到400 MHz,故布線(xiàn)密度大,很容易出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。
    布線(xiàn)前仿真可以根據(jù)PCB對(duì)信號(hào)完整性的要求,幫助設(shè)計(jì)者合理布置元器件、規(guī)劃系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)以及確定關(guān)鍵線(xiàn)網(wǎng)的端接策略。在布線(xiàn)過(guò)程中跟蹤設(shè)計(jì),隨時(shí)反饋布線(xiàn)效果,確定PCB布線(xiàn)的約束規(guī)則,如參數(shù)設(shè)置和布線(xiàn)約束等(這里不詳細(xì)敘述)。
    在運(yùn)用CAD設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)得出具有關(guān)鍵元件布局和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的走線(xiàn)的基本元素的PCB后,綜合考慮如電氣、電磁兼容性(EMC)等因素對(duì)信號(hào)完整性(SI)的影響以及這些因素之間的相互作用,從而進(jìn)行Boardsim布線(xiàn)后的仿真分析與驗(yàn)證。下面選取一些重要的DQ、DQS、MA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。在進(jìn)行完整PCB的布線(xiàn)后,可以通過(guò)Boardsim導(dǎo)入PCB文件。圖1為地址/控制線(xiàn)在Boardsim中的顯示圖,圖2為差分對(duì)DQS在Boardsim中的顯示圖。

    在相關(guān)網(wǎng)站上下載該處理器和該型號(hào)內(nèi)存的IBIS模型。根據(jù)JESD79-2C DDR2 SDRAM SPECIFICATION的說(shuō)明要求,可以知道地址/命令/控制信號(hào)以及DQS差分對(duì)或時(shí)鐘信號(hào)的DC和AC工作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DDR2-800要求如表1所示。根據(jù)上述指標(biāo)可以得出眼圖的數(shù)據(jù),然后設(shè)置疊層編輯器來(lái)設(shè)置特性阻抗值,導(dǎo)入CPU以及存儲(chǔ)器的IBIS模型,根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中上拉電阻以及濾波電容的實(shí)際值,可以讀出有效特性阻抗值Z0=54.3 Ω,以及每位周期的值。因?yàn)樾盘?hào)頻率為400 MHz,所以每位周期設(shè)置為1.25 ns。

    從圖3眼圖可以看出,信號(hào)在不同DIMM內(nèi)部和外部的信號(hào)質(zhì)量是不同的,在沒(méi)有端接電阻以及布線(xiàn)、阻抗調(diào)整的情況下,運(yùn)行400 MHz的頻率信號(hào)十分差,眼圖的寬度、高度、上升斜率等關(guān)鍵指標(biāo)都不符合JEDEC對(duì)DDR2-800的DC/AC規(guī)范。

    圖4為修改Layout布線(xiàn)和端接電阻以及阻抗值等設(shè)計(jì)后的仿真眼圖,從圖4可以明顯直觀(guān)地看到,修改之后信號(hào)狀況大大改觀(guān),而且可以直接讀出眼寬、高電平值、低電平值、采樣眼寬等信號(hào)眼圖的重要數(shù)據(jù),以便于確定硬件和PCB設(shè)計(jì)。

    同理,可以對(duì)重要的差分信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行仿真。而DDR2中新增加的ODT(On Die Termintation)功能在仿真中可以得到體現(xiàn)。通過(guò)不設(shè)置以及設(shè)置ODT的值,可以直觀(guān)地在眼圖以及客觀(guān)地在仿真結(jié)果數(shù)據(jù)一欄中得出合成差分信號(hào)的質(zhì)量。圖5為差分信號(hào)的仿真結(jié)果眼圖。

    通過(guò)眼圖和數(shù)據(jù),可以確定最優(yōu)差分阻抗和ODT值的設(shè)置。
    高速信號(hào)的PCB優(yōu)化設(shè)計(jì),可以在PCB的設(shè)計(jì)階段,運(yùn)用Hyperlyxn仿真工具和IBIS驅(qū)動(dòng)模型,對(duì)高速信號(hào)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行完整性仿真和時(shí)序分析、EMI仿真、分析和優(yōu)化,可以發(fā)現(xiàn)PCB制好后調(diào)試中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,從而可以節(jié)約成本、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。
參考文獻(xiàn)
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