高速電路設(shè)計中_走線的等長、關(guān)鍵信號的阻抗控制、差分走線的設(shè)置_

引 言

隨著嵌入式微處理器主頻的不斷提高，信號的傳輸處理速度越來越快，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率達(dá)到100MHZ以上,傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法和軟件已無法滿足高速電路設(shè)計的要求。在高速電路設(shè)計中，走線的等長、關(guān)鍵信號的阻抗控制、差分走線的設(shè)置等越來越重要。筆者所在的武漢華中科技大學(xué)與武漢中科院巖土力學(xué)所智能儀器室合作，以ARM9微處理器EP9315為核心的嵌入式系統(tǒng)完成工程檢測儀的開發(fā)。其中在該嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中的SDRAM和IDE等長走線、關(guān)鍵信號的阻抗控制和差分走線是本文的重點(diǎn),同時以cirrus logic公司的網(wǎng)絡(luò)物理層接口芯片cs8952為例詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)部分的硬件電路設(shè)計，為同類高速硬件電路設(shè)計提供了一種可借鑒的方法。

2 硬件平臺

2.1 主要芯片

本設(shè)計采用的嵌入式微處理器是Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有200兆赫工作頻率的 ARM920T內(nèi)核，它具有ARM920T內(nèi)核所有的優(yōu)異性能,其中豐富的集成外設(shè)接口包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設(shè)備的EIDE、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個2.0全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設(shè)接口、AC97接口、6通道I2S接口和8*8鍵盤掃描接口，并且支持4組32位SDRAM的無縫連接等。

主芯片豐富的外設(shè)接口大大簡化了系統(tǒng)硬件電路，除了網(wǎng)絡(luò)控制部分配合使用CirrusLogic公司的100Base-X/10Base-T物理層（PHY）接口芯片CS8952外，其他功能模塊無需增加額外的控制芯片。

2.2 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

由圖2可見，系統(tǒng)以微處理器EP9315為核心，具有完備的外設(shè)接口功能，同時控制工程檢測儀。IDE/CF卡接口為工程檢測數(shù)據(jù)提供大容量移動存儲設(shè)備；擴(kuò)展32M的SDRAM作為外部數(shù)據(jù)存儲空間；3個主動USB接口支持USB鍵盤鼠標(biāo)；LCD接口支持STN/TFT液晶和觸摸屏，為用戶提供友好的交互界面；1/10/100 Mbps以太網(wǎng)為調(diào)試操作系統(tǒng)時下載內(nèi)核及工程檢測時遠(yuǎn)程監(jiān)控提供途徑；面板按鍵為工程人員野外作業(yè)無法使用鍵盤鼠標(biāo)時提供人機(jī)交互接口。

EP9315在操作系統(tǒng)下主頻達(dá)到200M,總線頻率100M,外設(shè)時鐘為50M,數(shù)據(jù)線和地址線的布線密度大，速度高，網(wǎng)絡(luò)部分對差分線和微帶線控制有特殊要求，以往使用Protel設(shè)計主要依照經(jīng)驗進(jìn)行布局布線，顯然這種方法無法滿足當(dāng)前的高速電路設(shè)計。CADENCE公司作為EDA領(lǐng)域最大的公司之一，其設(shè)計工具性能上的優(yōu)勢在高速電路設(shè)計中越來越明顯，故筆者使用CADENCE公司的設(shè)計布局軟件Allegro完成高速電路設(shè)計。

3設(shè)計實現(xiàn)

3.1 SDRAM的布線規(guī)則

該嵌入式系統(tǒng)使用64M字節(jié)的SDRAM擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由兩片K4S561632組成工作在32位模式下，最高頻率可達(dá)100M以上，對于SDRAM的數(shù)據(jù)線、時鐘線、片選及其它控制信號需要進(jìn)行線長匹配，由此提出以下布線要求：

1．SDRAM時鐘信號：時鐘信號頻率較高，為避免傳輸線效應(yīng)，按照工作頻率達(dá)到或超過75MHz時布線長度應(yīng)在1000mil以內(nèi)的原則及為避免與相鄰信號產(chǎn)生串?dāng)_，走線長度不超過1000mil，線寬10mil，內(nèi)部間距5mil，外部間距30mil，要求差分布線，精確匹配差分對走線，誤差允許在20mil以內(nèi)。

2． 地址、片選及其它控制信號：線寬5mil，外部間距12mil，內(nèi)部間距10mil，盡量走成菊花鏈拓補(bǔ)，可有效控制高次諧波干擾，可比時鐘線長，但不能短。

3． SDRAM數(shù)據(jù)線：線寬5mil，內(nèi)部間距5mil，外部間距8mil，盡量在同一層布線，數(shù)據(jù)線與時鐘線的線長差控制在50mil內(nèi)。

根據(jù)布線要求，在Allegro中設(shè)置不同的約束：

針對線寬設(shè)置3個約束SDRAM_CLK,SDRAM_ADDDR,SDRAM_DATA,設(shè)置完約束后將約束添加到對應(yīng)的net上，使得各個net都具有線寬、線距約束屬性，最后為不同的信號組選擇合適的約束即可。但是設(shè)置的約束在系統(tǒng)CPU內(nèi)部是無法達(dá)到的，因為EP9315為BGA封裝，pin間距1.27毫米,顯然在CPU內(nèi)部，線寬線距無法達(dá)到上述要求，利用Allegro設(shè)置CPU特殊走線區(qū)域cpu_area，并加上area屬性，在此區(qū)域中另設(shè)置適合BGA內(nèi)部走線的約束。

3.2 Xnet在IDE總線等長布線中的應(yīng)用

3.2.1 系統(tǒng)中的IDE接口設(shè)計

EP9315強(qiáng)大的外設(shè)接口能力能夠直接驅(qū)動IDE硬盤，布線時需要注意IDE總線的等長設(shè)置，但是IDE總線這類高速線需要端接匹配，可以防止信號反射和回流。如圖3所示其中的排阻起到了端接匹配的作用，但使得整個走線被分為好幾個NET，而Allegro中常用的走線長度設(shè)置propagation_delay和relative_propagation_delay只能針對同一NET設(shè)置，IDE總線信號由EP9315扇出，要求EP9315到IDE接口走線DD*＋UBDD*(如圖3中NET)等長，誤差為+/-20mil，最簡單的方法是分別設(shè)置DD*等長和UBDD*等長，誤差各位+/－10mil，就可以達(dá)到要求，但是增加了布線難度，特別當(dāng)DD*有較大繞線空間，而UBDD*沒有足夠繞線空間時，這樣設(shè)置等長不可行，Allegro提供了一種方法，將DD*和UBDD*走線相加再進(jìn)行等長比對，這就要用到Xnet。

3.2.2 Xnet概念和Xnet等長設(shè)置

通常把連續(xù)的幾斷由無源元件（電阻，電容或電感）連接的NET合稱為Xnet，如圖4所示。

圖3中將DD*和UBDD*設(shè)置為同一個Xnet，對屬于該Xnet的所有信號等長控制。Xnet等長設(shè)置分為以下步驟：

1．設(shè)置Xnet

選擇要設(shè)置Xnet的器件（圖3中為排阻RA1-RA4）,創(chuàng)建ESpiceDevice model ,Allegro將自動填入模型名稱,電路類型――Resistor, PIN連接順序：1，8，2，7，3，6，4，5，表示1和8是一個電阻（見圖3）。至此，查看排阻兩邊NET都添加了同一Xnet屬性。

2．Xnet的等長設(shè)置

（1）建立Xnet的pin pair：在Allegro中打開constraintmanager，選擇relative_propagation_delay屬性，已設(shè)置的Xnet自動顯示，選擇Xnet建立pinpair，Allegro提供整個項目中Xnet關(guān)聯(lián)的起始pin和結(jié)束pin ，選擇需要等長設(shè)置的起始pin和結(jié)束pin。

（2）建立等長group：選中所有需要設(shè)置等長的pin pair，創(chuàng)建名為R_IDE_DATA的MATCH GROUP,在與relative_propagation_delay對應(yīng)的工作窗體選擇區(qū)中出現(xiàn)了剛創(chuàng)建的R_IDE_DATA,其內(nèi)含建立的pin pair，按照IDE總線走線等長要求設(shè)置走線誤差10mil以內(nèi)，一般選擇最長走線為基準(zhǔn)線（target）。

（3）走線完成后，重新打開constrait manager對實際走線進(jìn)行分析，Allergo自動顯示分析結(jié)果，綠色表示走線以基準(zhǔn)線為標(biāo)準(zhǔn)，走線誤差在10mil以內(nèi)，紅色表示走線誤差超過10mil，如果分析結(jié)果，大部分走線都為紅色，可以適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)線的選擇。

此外，Allegro在等長走線時，會實時顯示走線長度是否在誤差范圍內(nèi)，可以使用蛇型線調(diào)整走線長度，這些都極大的確保了布線可靠性。

3.3差分線和阻抗控制在網(wǎng)絡(luò)布線中的應(yīng)用

3.2.1 物理層接口芯片CS8952布線準(zhǔn)則

CS8952使用CMOS技術(shù)，提供一個高性能的100Base-X/10Base-T物理層（PHY）線路接口。它使自適應(yīng)均衡器達(dá)到最優(yōu)化的抗擾性和抗近端串?dāng)_（NEXT）性，可將接收器的應(yīng)用擴(kuò)展至超過160米的電纜，它結(jié)合了一個標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)無關(guān)端口（MII），可簡便地連接微處理器EP9315的介質(zhì)訪問控制器（MAC）。

以下一些布線規(guī)則，將使得CS8952工作更加穩(wěn)定并得到良好的EMC性能：

1．使用多層電路板，至少有一個電源層，一個地層，疊層設(shè)置為：top,gnd,vcc,bottom。使用底層走信號線只作為第二選擇。把所有的元件都放在頂層。然而，旁路電容優(yōu)選越靠近芯片越好，最好放置在CS8952下方的底層上。RJ45終端元件和光纖元件可以選擇放在底層。

2 . 4.99k的參考電阻應(yīng)該越靠近RES管腳越好，把電阻另外一端使用一個過孔接到地平面。鄰近的VSS（85和87腳）

接在電阻接地端，形成一個屏蔽。

3．對關(guān)鍵信號TX＋/-,RX+/-,RX_NRZ+/-控制阻抗，作為微帶傳輸線（差分對100歐，單線60歐），MII信號作為68歐微帶傳輸線。

4．差分傳輸線布線應(yīng)靠近（線寬間距6－8mil），與其他走線、元件保證2個線寬的距離，TX和RX差分對布線遠(yuǎn)離彼此，必要時使用的相對面。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)部分關(guān)鍵信號差分走線和阻抗控制的設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)部分差分線及其阻抗控制以信號TX+/-為例，步驟如下：

1．在Allegro的assign diff pair菜單中選擇建立差分對的信號TX+/-,命名為TX_Pair。

2．按照對信號TX+/-阻抗控制要求計算差分對線寬、線距，如圖5所示，選擇走線層面top層，填入差分對阻抗100歐，單線阻抗60歐，得到線寬10.1mil，主要線間距8.1mil。

主要線寬/線間距：10mil/8mil；次要線寬/線間距：10mil/8mi；線最小間距：6mil；兩條線無法走到一起時允許的線長：100mil；兩條線可允許的誤差值：25mil。

4．分配差分對TX_PAIR到電氣約束集，打開差分對DRC模式。

以上實現(xiàn)差分對走線和阻抗控制的方法在涉及到大量差分對的通信系統(tǒng)電路中非常簡單實用。

4結(jié)語

筆者利用強(qiáng)大的設(shè)計軟件Allegro實現(xiàn)了基于EP9315嵌入式系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。該板采用6層布線，完全滿足高速電路設(shè)計中對等長、差分、阻抗控制的要求?；谠撾娐吩O(shè)計的嵌入式系統(tǒng)與武漢中科院巖土力學(xué)所設(shè)計的SY5聲波工程檢測儀實現(xiàn)了良好接口，與由51單片機(jī)搭建的原SY5聲波儀相比,該系統(tǒng)功耗降低,體積變小,穩(wěn)定性增強(qiáng),成本降低,更適合工業(yè)控制中的運(yùn)用。