时序计算和Cadence仿真结果的运用

摘要：本文通过对源同步时序公式的推导，结合对SPECCTRAQuest时序仿真方法的分析，推导出了使用SPECCTRAQuest进行时序仿真时的计算公式，并对公式的使用进行了说明。

一、前言
    通常我们在时序仿真中，首先通过时序计算公式得到数据信号与时钟信号的理论关系，在cadence仿真中，我们也获得了一系列的仿真结果，怎样把仿真结果正确的运用到公式中，仿真结果的具体含义是什么，是我们正确使用Cadence仿真工具的关键。下面对时序计算公式和仿真结果进行详细分析。

二．时序关系的计算
    电路设计中的时序计算，就是根据信号驱动器件的输出信号与时钟的关系(Tco——时钟到数据输出有效时间)和信号与时钟在PCB上的传输时间(Tflytime)同时考虑信号驱动的负载效应、时钟的抖动(Tiitter)、共同时钟的相位偏移(Tskew)等，从而在接收端满足接收器件的建立时间(Tsetup)和保持时间(Thold)要求。通过这些参数，我们可以推导出满足建立时间和保持时间的计算公式。
    时序电路根据时钟的同步方式的不同，通常分为源同步时序电路(Source-synchronous timing)和共同时钟同步电路(common-clock timing)。这两者在时序分析方法上是类似的，下面以源同步电路来说明。
    源同步时序电路也就是同步时钟由发送数据或接收数据的芯片提供。图1中，时钟信号是由CPU驱动到SDRAM方向的单向时钟，数据线Data是双向的。
 
图2是信号由CPU向SDRAM驱动时的时序图，也就是数据与时钟的传输方向相同时的情况。
 
图中参数解释如下：

• Tft_clk：时钟信号在PCB板上的传输时间；
• Tft_data：数据信号在PCB板上的传输时间；
• Tcycle：时钟周期
• Tsetup'：数据到达接收缓冲器端E1时实际的建立时间；
• Thold'：数据到达接收缓冲器端E1时实际的保持时间；
• Tco_max/Tco_min：时钟到数据的输出有效时间。

    由图2的时序图，我们可以推导出，为了满足接收芯片的Tsetup和Thold时序要求，即Tsetup'>Tsetup和Thold'>Thold，所以Tft_clk和Tft_data应满足如下等式：
Tft_data_min>Thold-Tco_min+Tft_clk         (公式1)
Tft_data_max<Tcycle-Tsetup-Tco_max+Tft_clk                (公式2)
    当信号与时钟传输方向相反时，也就是图1中数据由SDRAM向CPU芯片驱动时，可以推导出类似的公式：
Tft_data_min>Thold-Tco_min-Tft_clk              (公式3)
Tft_data_max<Tcycle-Tsetup-Tco_max-Tft_clk                  (公式4)
    如果我们把时钟的传输延时Tft_clk看成是一个带符号的数，当时钟的驱动方向与数据驱动方向相同时，定义Tft_clk为正数，当时钟驱动方向与数据驱动方向相反时，定义Tft_clk为负数，则公式3和公式4可以统一到公式1和公式2中。

三．Cadence的时序仿真
    在上面推导出了时序的计算公式，在公式中用到了器件手册中的Tco参数，器件手册中Tco参数的获得，实际上是在某一种测试条件下的测量值，而在实际使用上，驱动器的实际负载并不是手册上给出的负载条件，因此，我们有必要使用一种工具仿真在实际负载条件下的信号延时。Cadence提供了这种工具，它通过仿真提供了实际负载条件下和测试负载条件下的延时相对值。
    我们先来回顾一下CADENCE的仿真报告形式。仿真报告中涉及到三个参数：FTSmode、SwitchDelay和SettleDelay。其中Cadence时序仿真的结果是通过SwitchDelay和SettleDelay两个参数反映出来的。
    在解释FTSmode、SwitchDelay和SwitchDelay前先解释一下BufferDelay曲线的含义。BufferDelay曲线是Cadence仿真器断开实际负载，带上驱动芯片器件手册提供的测试负载条件下获得的一条曲线。测试负载是在IBIS仿真模型库中设置的。Cadence仿真报告中的延时测量是以BufferDelay为基准曲线，以V Measure为起始测量点获得的相对延时值。

• FTSmode：定义了当前仿真驱动器的特性，分为Fast、Type和Slow。该三种特性是在IBIS模型中定义的，Fast是驱动器沿最快的模式，Slow是驱动器沿最慢的模式，从而定义了驱动器在正常工作条件下的两种极限特性。
• SwitchDelay： 定义为SwitchDelayFall和SwitchDelayRise两者的最小值。图3给出了SwitchDelayFall和SwitchDelayRise的图形解释。
• SwitchDelayFall：是从BufferDelay下降沿的Vmeasure点开始到接收波形下降曲线第一次穿过高电平阈值时的延时值。
• SwitchDelayRise：是从BufferDelay上升沿的Vmeasure点开始到接收波形上升曲线第一次穿过低电平阈值时的延时值。
• SettleDelay：是SettleDelayFall和SettleDelayRise两者的最大值。图3给出了SettleDelayFall和settleDelayRise的图形解释。
   
• SettleDelayFall：是从BuferDelay下降沿的Vmeasure点开始到接收波形上升曲线最后一次穿过高电平阈值时的延时值。

    从SwitchDelay和SettleDelay的定义我们可以看出，SettleDelay是一个与输入端的建立时间(Tsetup)有关的量，SwitchDelay是一个与输入端保持时间有关的量(Thold)。
    公式1和公式2中的Tft_data与Tft_clk在Cadenee仿真工具中是通过仿真获得的数据，它与Cadence仿真中fast和slow状态下的SwitchDelay与SettleDelay参数有关。
    为了了解Cadence仿真中的SwitchDelay和SettleDelay与时序公式中参数的关系，我们重新分析一下包含有BufferDelay曲线的时序图。
 
    在图4中，时钟输出和数据输出使用的是BufferDelay曲线，此时Tco是时钟BuferDelay曲线和数据BufferDelay曲线之间的延时关系，这种定义符合“手册中的Tco是在特定负载下测得的”说法。
    在图4中，CPU CLK OUT(BuferDelay)和CPU Signals OUT(Buferdelay)是在测试负载条件下的信号输出波形(对应于图3中的BuferDelay曲线，而不是驱动端输出曲线)，SDRAM CLK IN和SDRAM Signals IN是在实际负载条件下输入端口的仿真波形。
    在器件手册中给出时序关系时，对于时钟信号，通常以某一测量电压为时间测量点，如图4中的Vmeas1和Vmeas2，对于驱动端测量电压点为驱动器件手册中定义的测量点，对于接收端测量电压点为接收器件手册中定义的测量点。在Cadence仿真时，对于接收端电压测量点的设置，通常在接收器件模型中，把输人高低门限电平定义成Vmeas2来实现。对于驱动端电压测量点的设置，是在驱动器件模型参数中设置的。此时对于时钟仿真的结果是，时钟信号的SettleDelay和SwitchDelay值相等。
    对于数据信号的测量点就稍微有点复杂了，这要根据手册中Tco的测量方式来确定，有的器件手册Tco是从时钟的Vmeas到数据的Vmeas来测量的，有的手册是从时钟的Vmeas到数据的门限电平来测量的。如果采用从时钟的Vmeas到数据的门限电平来测量的，则在Cadence仿真中，要对高低电平门限分别作为测量点仿真，然后取最恶劣的仿真结果。
    对于公式中数据的延时Tft_data，从Cadence仿真中对SettleDelay和SwitchDelay的定义和图4中的时序关系可以看出，Tft_data就是仿真结果中的SettleDelay和SwitchDelay参数，并且SettleDelay是与建立时间(Tsetup)有关，SwitchDelay是与保持时间(Thold)有关，因此公式中的Tft_data_min对应仿真结果中的SwitchDelay，Tft_data_max对应仿真结果中的SettleDelay，考虑到通常Slow状态的延时比Fast状态的延时要大，因此，公式中的Tft_data_min对应仿真结果中Fast状态的SwitchDelay，Tft_data_max对应仿真结果中Slow状态的SettleDelay。
    对于公式中时钟的延时，从测量方式中可以看出Tft_clk=SettleDelay=SwitchDelay，考虑到同一公式中仿真状态的一致，因此，公式中与Thold有关的不等式中的Tfl_clk对应于Fast状态的仿真值，与Tsetup有关的不等式中的Tft_clk对应Slow状态的仿真值。写成公式就是：
Tft_data_fast_switchdelay>Thold口Tco_min+Tft_clk_fast               (公式5)
Tff_data_slow_settledelay<Tcycle－Tsetup 口Tco_max+Tft_clk_slow           (公式6)
    在实际仿真中，我们只要保证仿真结果满足公式5和公式6的时钟和数据关系，也就保证了单板工作时序的正确性。

四．总结
    Cadence公司的Allegro SI和SigXplor设计工具为硬件开发工程师提供了一个功能强大的高速PCB仿真手段，通过仿真设计，可以设计出符合要求的信号时序和信号完整性，从而提高单板和系统的工作稳定性，降低开发风险和开发成本。