系统时序基础理论(2)

每个器件的建立和保持时间参数，一般都可以在相应的DataSheet查到，对于设计者来说最大的目的是提高时序的裕量，这样即使信号完整性上出现一点问题，或者外界环境发生一定的变化，系统仍然能正常工作，这就是一个设计优良的系统应该体现出的超强的稳定性。

    系统时序设计中对时钟信号的要求是非常严格的，因为我们所有的时序计算都是以恒定的时钟信号为基准。但实际中时钟信号往往不可能总是那么完美，会出现抖动(Jitter)和偏移（Skew）问题。所谓抖动，就是指两个时钟周期之间存在的差值，这个误差是在时钟发生器内部产生的，和晶振或者PLL内部电路有关，布线对其没有影响，如图1-6-7。除此之外，还有一种由于周期内信号的占空比发生变化而引起的抖动，称之为半周期抖动。总的来说，jitter可以认为在时钟信号本身在传输过程中的一些偶然和不定的变化之总和。

    时钟偏移(skew)是指两个相同的系统时钟之间的偏移。它表现的形式是多种多样的，既包含了时钟驱动器的多个输出之间的偏移，也包含了由于PCB走线误差造成的接收端和驱动端时钟信号之间的偏移，比如在图1-6-1中所示，CLKA和CLKB之间的差异，CLKC和CLKP之间的差异均为时钟偏移，这些偏移量在时序计算中需要全部考虑。

    除了上面提到的这些概念，还有一点要注意的是，时刻不能忽略信号完整性对时序的影响，比如串扰会影响微带线传播延迟；反射会造成数据信号在逻辑门限附近波动，从而影响最大/最小飞行时间；时钟走线的干扰会造成一定的时钟偏移。有些误差或不确定因素是仿真中无法预见的，设计者只有通过周密的思考和实际经验的积累来逐步提高系统设计的水平。

2、时序约束条件

    下面来具体讨论一下系统时序需要满足的一些基本条件。我们仍然以图1-6-1的结构为例，并可以据此画出相应的时序分析示意图（图1-6-8）。

    在上面的时序图中，存在两个时序环，我们称实线的环为建立时间环，而虚线的环我们称之为保持时间环。可以看到，这两个环都不是闭合的，缺口的大小就代表了时序裕量的多少，因此设计者总希望尽可能增大这个缺口。同时还要注意到，每个环上的箭头方向不是一致的，而是朝着正反两个方向，因为整个系统时序是以时钟上升沿为基准的，所以我们时序环的起点为系统时钟clk in的上升沿，而所有箭头最终指向接收端的控制时钟CLKC的边沿。

    先来分析建立时间环：

    缺口的左边的半个时序环代表了从第一个系统时钟上升沿开始，直到数据传输至接收端的总的延时，我们计为数据延时，以Tdata tot表示：

    Tdata tot =Tco clkb+Tflt clkb +Tco data +Tflt data

    上式中：Tco clkb是系统时钟信号CLKB在时钟驱动器的内部延迟；Tflt clkb 是CLKB从时钟驱动器输出后到达发送端（CPU）触发器的飞行时间；Tco data是数据在发送端的内部延迟；Tflt data是数据从发送端输出到接收端的飞行时间。

    从CLKC时钟边沿的右边半个时序环代表了系统时钟到达接收端的总的沿时，我们计为时钟延时，以Tclk tot表示：

    Tclk tot =Tcycle +Tco clka +Tflt clka – Tjitter

    其中，Tcycle是时钟信号周期；Tco clka 是系统时钟信号CLKA（第二个上升沿）在时钟驱动器的内部延迟；Tflt clka是时钟信号从时钟驱动器输出到达接收端触发器的飞行时间；Tjitter是时钟的抖动误差。

    因此我们可以根据建立时间裕量的定义，得到：

    Tsetup margin = Tclk tot – Tdata tot – Tsetup

    将前面的相应等式带入可得：

    Tsetup marin = Tcycle + Tco clka + Tflt clka – Tjitter – Tco clkb – Tflt clkb – Tco data – Tflt data – Tsetup

    我们定义时钟驱动器(PLL)的两个时钟输出之间的偏移为Tclock Skew ，两根CLOCK走线之间的时钟偏移为TPCB Skew ，即：

    Tclock Skew = Tco clkb - Tco clka；TPCB Skew = Tflt clkb - Tflt clka

    这样就可以得到建立时间裕量的标准计算公式：

    Tsetup marin =Tcycle – TPCB skew –Tclock skew –Tjitter – Tco data – Tflt data-Tsetup  （1.6.1）

    再来看保持时间环：

    对照图1-6-8，我们可以同样的进行分析：

    Tdata delay = Tco clkb + Tflt clkb + Tco data + Tflt data
Tclock delay = Tco clka + Tflt clka

    于是可以得出保持时间裕量的计算公式：

    Thold margin = Tdata delay – Tclock dalay – Thold time
即:

     Thold margin = Tco data + Tflt data + Tclock skew + Tpcb skew – Thold  （1.6.2）

    可以看到，式1.6.2中不包含时钟抖动Jitter的参数。这是因为Jitter是
指时钟周期间（Cycle to Cycle）的误差，而保持时间的计算和时钟周期无关。
对于任何时钟控制系统，如果要能保证正常工作，就必须使建立时间余量和保持时间裕量都至少大于零，即Tsetup marin >0；Thold margin >0，将公式1.6.1和1.6.2分别带入就可以得到普通时钟系统的时序约束条件不等式：

    TPCB skew +Tclock skew +Tjitter + Tco data + Tflt data+Tsetup  < Tcycle    (1.6.3)

    Tco data + Tflt data + Tclock skew + Tpcb skew > Thold     (1.6.4)

需要注意的是：

    1、 数据在发送端的内部延时Tco data可以从芯片的datasheet查到，这个值是一个范围，在式1.6.3中取最大值，在式1.6.4中取最小值。

    2、数据在传输线上的飞行时间Tflt data在实际计算中应该取最大/最小飞行时间参数，在式1.6.3中取最大飞行时间，在式1.6.4中取最小飞行时间。

    3、 时钟的偏移TPCB skew和Tclock skew也是一个变化的不确定参数，一般为+/-N ps，同样，在建立时间约束条件1.6.3中取+Nps，而在保持时间约束条件1.6.4中取-Nps。

    从上面的分析可以看到，对于PCB设计工程师来说，保证足够稳定的系统时序最有效的途径就是尽量减小PCB skew和信号传输的飞行时间，而其它的参数都只和芯片本身的性能有关。实际中经常采取的措施就是严格控制时钟和数据的走线长度，调整合理的拓补结构，并尽可能减少信号完整性带来的影响。然而，即便我们已经考虑的很周全，普通时钟系统的本身的设计瓶颈始终是无法打破的，也就是建立时间的约束，我们在尽可能减少由PCB布线引起的信号延迟之外，器件本身的特性如Tco、Jitter、TSetup等等将成为最主要的制约因素，尽管我们可以通过提高工艺水平和电路设计技术来不断提高数字器件的性能，但得到的效果也仅仅是在一定范围之内提升了系统的主频，在频率超过300MHz的情况下，我们将不得不放弃使用这种普通时钟系统设计。

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