硬件电路时序计算方法与应用实例

　　摘要：本文针对高速电路设计中经常面临的时序问题，提出了时序分析和计算方法，并结合SPI4.2接口给出了具体分析实例。

　　1 满足接收端芯片的建立/保持时间的必要性

　　在高速数字电路设计中，由于趋肤效应、临近干扰、电流高速变化等因素，设计者不能单纯地从数字电路的角度来审查自己的产品，而要把信号看作不稳定的模拟信号。采用频谱分析仪对信号分析，可以发现，信号的高频谱线主要来自于信号的变化沿而不是信号频率。例如一个1MHz的信号，虽然时钟周期为1微秒，但是如果其变化沿上升或下降时间为纳秒级，则在频谱仪上可以观察到频率高达数百兆赫兹的谱线。因此，电路设计者应该更加关注信号的边沿，因为边沿往往也就是信号频谱最高、最容易受到干扰的地方。

　　在同步设计中，数据的读取需要基于时钟采样，根据以上分析，为了得到稳定的数据，时钟的采样点应该远离数据的变化沿。

　　图1是利用时钟CLK的上升沿采样数据DATA的示例。DATA发生变化后，需要等待至少Setup时间(建立时间)才能被采样，而采样之后，至少Hold时间(保持时间)之内DATA不能发生变化。因此可以看出，器件的建立时间和保持时间的要求，正是为了保证时钟的采样点远离数据的变化沿。如果在芯片的输入端不能满足这些要求，那么芯片内部的逻辑将处于非稳态，功能出现异常。

　　2 时序分析中的关键参数

　　为了进行时序分析，需要从datasheet(芯片手册)中提取以下关键参数：

　　● Freq：时钟频率，该参数取决于对芯片工作速率的要求。

　　● Tcycle：时钟周期，根据时钟频率Freq的倒数求得。Tcycle=1/Freq。

　　● Tco：时钟到数据输出的延时。上文提到，输入数据需要采用时钟采样，而输出数据同样也需要参考时钟，不过一般而言，相比时钟，输出的数据需要在芯片内延迟一段时间，这个时间就称为Tco。该参数取决于芯片制造工艺。

　　● Tsetup(min)：最小输入建立时间要求。

　　● Thold(min)：最小输入保持时间要求。

　　除以上五个参数外，时序分析中还需要如下经验参数：

　　● Vsig：信号传输速度。信号在电路上传输，传输速度约为6英寸/纳秒。

　　时序计算的目标是得到以下两个参数之间的关系：

　　● T_flight-data：数据信号在电路板上的走线延时。

　　● T_flight-clk：时钟信号在电路板上的走线延时。

　　以上参数是进行时序分析的关键参数，对于普通的时序分析已经足够。

　　3 源同步系统的时序计算

　　源同步系统指数据和时钟是由同一个器件驱动发出的情况，下图是常见的源同步系统拓扑结构：

　　该系统的特点是，时钟和数据均由发送端器件发出，在接收端，利用接收到的时钟信号CLK采样输入数据信号DATA。

　　源同步系统的时序计算公式为^[1]：

　　T_CO(max) + (T_flight-data - T_flight-clk)_MAX + Tsetup(min) < Tcycle (式1)

　　T_CO(min) + (T_flight-data - T _flight-clk)_MIN > Thold(min) (式2)

　　时序计算的最终目标是获得T_flight-data - T _flight-clk的允许区间，再基于该区间，通过Vsig参数，推算出时钟信号和数据信号的走线长度关系。

　　4 SPI4.2接口时序分析

　　SPI4.2^[2](System Packet Interface Level4, Phase 2)接口是国际组织OIF制定的针对OC192(10Gbps)速率的接口。目前广泛应用在高速芯片上，作为物理层芯片和链路层芯片之间的接口。SPI4.2的接口定义如下：

　　SPI4.2接口信号按照收、发方向分为两组，如图3中，以T开头的发送信号组和以R开头的接收信号组。每组又分为两类，以发送信号组为例，有数据类和状态类，其中数据类包含TDCLK、TDAT[15:0]，TCTL，状态类包含TSCLK，TSTAT[1:0]。

　　其中，状态类信号是单端LVTTL信号，接收端利用TSCLK的上升沿对TSTAT[1:0]采样，方向为从物理层芯片发往链路层芯片;数据类信号是差分LVDS信号，接收端利用TDCLK的上升沿与下降沿对TDAT[15:0]和TCTL采样，即一个时钟周期进行两次采样，方向为从链路层芯片发往物理层芯片。

　　由于接收信号组与发送信号组的时序分析类似，因此本文仅对发送信号组进行时序分析。

　　在本设计中，采用Vitesee公司的VSC9128作为链路层芯片，VSC7323作为物理层芯片，以下参数分别从这两个芯片的Datasheet中提取出来。

　　● 状态类信号的时序分析

　　对状态类信号，信号的流向是从物理层芯片发送到链路层芯片。

　　第一步，确定信号工作频率，对状态类信号，本设计设定其工作频率和时钟周期为：

　　Freq=78.125MHz;

　　Tcycle = 1/ Freq = 12.8ns;

　　第二步，从发送端，即物理层芯片手册提取以下参数^[3]：

　　-1ns < Tco < 2.5ns;

　　第三步，从接收端，即链路层芯片手册提取建立时间和保持时间的要求^[4]：

　　Tsetup(min) = 2ns;

　　Thold(min) = 0.5ns;

　　将以上数据代入式1和式2：

　　2.5ns + (T_flight-data - T _flight-clk)_MAX + 2ns < 12.8ns

　　-1ns + (T_flight-data - T _flight-clk)_MIN > 0.5ns 整理得到：

　　1.5ns < (T_flight-data - T _flight-clk) < 8.3ns

　　基于以上结论，同时考虑到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下结论，当数据信号和时钟信号走线长度关系满足以下关系时，状态类信号的时序要求将得到满足：TSTAT信号走线长度比TSCLK长9英寸，但最多不能超过49.8英寸。

　　● 数据类信号的时序分析

　　对数据类信号，信号的流向是从链路层芯片发送到物理层芯片。

　　第一步，确定信号工作频率，对数据类信号，本设计设定其工作频率为：

　　Freq=414.72MHz;

　　与状态类信号不同的是，数据类信号是双边沿采样，即，一个时钟周期对应两次采样，因此采样周期为时钟周期的一半。采样周期计算方法为：

　　Tsample = ½*Tcycle = 1.2ns;

　　第二步，从发送端，即链路层芯片手册提取以下参数^[4]：

　　-0.28ns < Tco < 0.28ns;

　　第三步，从接收端，即物理层芯片资料可以提取如下需求^[3]：

　　Tsetup(min) = 0.17ns;

　　Thold(min) = 0.21ns;

　　将以上数据代入式1和式2，需特别注意的是，对数据类信号，由于是双边沿采样，应采用Tsample代替式1中的Tcycle：

　　0.28ns + (T_flight-data - T _flight-clk)_MAX + 0.17ns < 1.2ns

　　-0.28ns + (T_flight-data - T _flight-clk)_MIN > 0.21ns

　　整理得到：

　　0.49ns < (T_flight-data - T _flight-clk) < 0.75ns

　　基于以上结论，同时考虑到Vsig = 6inch/ns，可以得到如下结论，当数据信号和时钟信号走线长度关系满足以下关系时，数据类信号的时序要求将得到满足：TDAT、TCTL信号走线长度比TDCLK长2.94英寸，但最多不能超过4.5英寸。

　　5 结论

　　高速电路中的时序设计，虽然看似复杂，然而只要明晰其分析方法，问题可以迎刃而解。

　　参考文献：
　　[1] 王剑宇. 高速电路设计实践[M]. 电子工业出版社，2010：131
　　[2] Optical Internetworking Forum. Implementation Agreement: OIF-SPI4-02.0[J]. OIF，2002：1-5
　　[3] Vitesse. VSC7323 Datasheet[J]. Vitesse,2006： 306~312
　　[4] Vitesse. VSC9125 and VSC9128 Datasheet[J]. Vitesse，2006：769-772