总线时钟结构

1、中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt设计总线时钟结构科利登系统有限公司5 4 （总第8 8期）20C? &ht/p/中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt5 4 （总第8 8期）20C? &ht/p/中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt大部分并行总线和高速串行总线的区别主要在于发送端和接收端不同的同步方式。由于其很高的复杂性，总线时钟结构成为芯片架构的最主要部分 表1）传统的中心时钟并行总线受co rteobu时钟速度比率的限制高并行总线会有数据和时钟之间的偏差问题总线自己拥有 “本地

2、“时钟的结构称作源同 步结构源同步总线可以使用以下三种总线时钟结构之一： 时钟前向（Clcfckwar1总n线专 用的一直运行的时钟信号 锁定前向（Laifchward i总ng专用的，传送数据时才有效的lat信号h 嵌入时钟（Embe止do dk没有专 门的时钟信号，时序信息从数据信号中提取表1总线时钟结构的分类及应用井行嶽铿曲刑涉LFttHiFCFScAHi+:ncF -1刊升皑nHwwTFantRt RipMlO.S«ridM：它：-flDOU'tpfl厨F ：'.l IWs -1 启 CbpH看白州10 QbCrt：和瞿朴¥応址 i.m艳MV曲离专用

3、訥吋种苗J u 訂牡rgn* 甘死 UWd 呵1W T声"以往的总线系统中，发送端和接收端的器件都与同一个时钟源同步。并行总线上的数据都以同一个中心时钟或者由中心时钟直接产生的信号作为参考。这种结构可以简化总线接口的设计 ，这种芯片的 规格也必须保证总线上的数据在时钟的上升沿一段时间后岀现并稳定一段固定的时间 。这些规格参数 的测试可以通过量产芯片测试设备来完成。它们的测试项目有一些通用的术语 ，比如说tu数据建立时 间）和t Od数据保持时间）等。当数据率增加和并行的 通道数目增加时 ，这种中心时钟结构就会岀现问题 当同一中心时钟配置给多个芯片使用时，这种问题变得更加明显。时序偏差

4、（Timi ng ew）中心时钟结构产生问题的原理就是图1所示的时序偏差（timing w当发送芯片发送完全相同 的信号时，接收芯片在各个路径接收到的信号存在 的时序差别就是时序偏差。由于PC板走线、层间互连以及芯片封装等各方面的原因，各个路径之间的差别是永远存在的 。II III II iHl M II Ictock n r rLtlTIllTI 4"一 1-.辛 «trniTir=*图1数据路径的时序偏差图1可以看到接收端的芯 片E岀现了时序偏 差。这种偏差一般是由PC!走线长度不一致引起的。虽然好的 PC板设计可以减小这种差别，但是5 4 （总第8 8期）20C? &

5、amp;ht/p/中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt5 4 （总第8 8期）20C? &ht/p/中国集成电路Chinalntger 注 edCircuit设计htp/2 0 0 © （总第8期） 5 5htp/2 0 0 © （总第8期） 5 5总线的限制时序偏差是不可避免的。偏差同时存在于携带数据的数据路径和锁存数htp/2 0 0 © （总第8期） 5 5htp/2 0 0 © （总第8期） 5 5据的分布时钟路径中。数据路径和时钟路径的线长最终，中心时钟总线系统的偏差容限是由最差htp/2 0 0

6、69; （总第8期） 5 5，要求信号走线的设 并行总线的时序受所，无论其余通道的不匹配是并行总线架构固有的两个最主要的问题根 源。因为每根信号线都得独立走线，所以偏差问题会随着并行信号数目的增加而成倍增加。数据路径 和时钟路径的偏差结合在一起 计必须满足一定的性能标准 有通道中偏差最大的通道的限制 速度有多慢。系统偏差容限从上述得知，任何复杂的系统中都存在一定程 度的偏差。因此，就有了系统容限的概念。对于一个 中心时钟系统来说，它的容限就是该系统在接受端 接受数据的数据率 。单通道问题通道的时钟偏差、收发性能、数据偏差、j 1以及温r 度的稳定性所决定的。这些问题组合在一起使得大 多数传统总

7、线最多只能运行到几百兆赫兹的速度。源同步总线可以解决时钟的问题高速串行总线通过把总线时钟从系统中心时钟独立岀来的方法来解决数据时钟问题：为较小的数据信号组创建一个”本地”时钟来 解决组内数据信号内的时钟分布和时钟路径偏差问题或者除去所有的总线时钟 。这种情况下，时 钟信息跟每个数据信号一起传送。这种方法能同时消除时钟分布偏差和数据信号偏差的问题。把总线时钟从系统时钟独立岀来，就称作源同步总线，但它会使得数据与系统时钟不同步。换句话说，数据接收端能与数据发送端同步，但与系统内的其它总线或芯片是异步的。这样能在 bu ttc-o数ehtp/2 0 0 © （总第8期） 5 5假设有一个5

8、 0 0 Mb勺J总线周期。在5 0 0 Mbp据比率上具有更大的灵活性，消除时钟偏差，减小或htp/2 0 0 © （总第8期） 5 5. I （jbptr II m5 ns时，周期为2ns由于上升时间、j 1等电性能的限 制，数据能被稳定采样的时间必然小于2n图2所示的数据窗口就是1.5也就是 75%）图2数据窗口，也就是数据能被稳定采样的时间百分比, 数据率成比例增加时，数据窗口以更快的速度变小。但是，当数据率增加到1 Gbp的时候，影响转换时间的电属性还有原来那么大的值（也许更差），因此稳定数据窗口必然比在5 0 0bp的7 5更小。准确的百分比取决于电路的特性。这里所说的关

9、键点就是数据窗口的变化比数据率的变化更快。补偿数据偏差问题 。但是，由于没有中心系统频率，必须有方法来告诉 接收端如何解释接收到的数据。有两种主要的方法来 实现它：另外发送一个专用的总线时钟，称作时钟前向；或者让接收端自己提取时钟信息，称作嵌入时钟。时钟前向时钟前向技术把一个或多个专门的总线时钟信号与数据信号并行传送 如图3。总线时钟持续地运 行，由于它是总线专用的时钟 ，所以可以进行优化的 设计以保证最好的总线速度。有些时钟前向技术使用了多个时钟线，每根时钟线分配给一小组信号使用，所以只要保证组内的信号走线匹配，减少数据偏差的影响。时钟前向技术htp/2 0 0 © （总第8期）

10、5 5中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt设计5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBtLatchDam I【如tn 2Data 3ata Tj -.7rXX7XXX"X匸EIrK厂JC工图4锁定向前有一根专门的锁定信号， 但只在总线上有数据信号的时候才有效都会受数据建立、保持以及时钟分布偏差的限制。最图3左图可以看到两组双向信号各有一根独立的时钟线。

11、时序图解释了时钟信号怎样在接收端稳定地锁存数据。值 得注意的是，数据路径之间任然存在很大的偏差。应用在 HyperTr和并行pR) a t i等协议之中其数据率可以达到 1.6Gbps.5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt锁定前向时钟前向有一个缺点，由于它的时钟一直运行因此有电源消耗和电磁干扰的问题。为了解决这个问题，许多总线协议主要是存储器总线)只在总线上有数据的时候才运行时钟，如图4所

12、示。这种锁定前向技术也用于一些像DDI和QDE等存储器接口的双向总线之中。嵌入时钟总之，所有使用了独立时钟线的总线时钟结构终的解决方案是不使用独立的时钟信号。嵌入时钟就是一种这样的方法，它把时钟嵌入在数据流之中。其实它的原理并不新奇，让我们回想一下最初 的电报操作员。他们预先并不知道什么时候会有信 息发送过来，而数据的速度也取决于发报人发送符 号的技术和速度 O电报只使用了一根线，因为操作员在接收信号时必须等待，主动与传送的数据相适应。换句话说，接收操作员必须先监听一些摩尔斯编码 的符号以便知道怎么来处理后面接收到的数据。在总线系统中使用嵌入时钟技术可以消除其它 技术中时钟和数据的偏差问题。但

13、是，它大大增加了发送和接收电路的复杂度，实现起来比较困难 。CIC5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt上接第5页5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBt中仿真状态的一致，因此，公式中与 Tho有关的不等式中的TftC应于Fa状t态的仿真值，与 Tse有关的不等式中的Tft应l ElO状态的仿真值。写成公式就是：四.总结Cade公司的 AlleSg和&igX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5 6 （总第8 8期）2 0 0?&htpZ中国集成电路CICChinalntger at ed CircuBtTco 曲 Tift cl k(公式 l O w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。Tft_data_fas走工h矽-tfTcchoSlian号时序和信号完整性，从而提高单板和系统的工作Tft clk( 公