利用高速數(shù)字分析儀和專(zhuān)用內(nèi)存軟件調(diào)試更高速率 DDR 信號(hào)

一、傳統(tǒng)分析軟件針對(duì) DDR 信號(hào)的讀寫(xiě)分離原理

常用的 DDR 內(nèi)存分析軟件一般是通過(guò) DDR 內(nèi)存的 DQ 數(shù)據(jù)信號(hào)與 DQS 選通信號(hào)邊沿 之間的時(shí)序關(guān)系來(lái)判別讀與寫(xiě)的，即讀突發(fā)時(shí) DQ 信號(hào)和 DQS 信號(hào)邊沿對(duì)齊，寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 信號(hào)和 DQS 信號(hào)中間對(duì)齊，如下圖 1 所示，只要 DQ 信號(hào)和 DQS 信號(hào)之間的時(shí)序在[-X1， X1]范圍內(nèi)即認(rèn)為是讀突發(fā)，如果在[0.25*UI-X2，0.25*UI+X2]范圍內(nèi)，即為寫(xiě)突發(fā)，示波 器軟件會(huì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定 X1 和 X2 的值以盡可能準(zhǔn)確的分離出讀、寫(xiě)信號(hào)，不同示波器廠家 的軟件也可能會(huì)有所區(qū)別。

圖 1 常用的 DDR 內(nèi)存分析軟件所使用的讀寫(xiě)分離方法

該方法對(duì)于速率較低的 DDR 內(nèi)存信號(hào)來(lái)說(shuō)會(huì)工作得很好，因?yàn)樾盘?hào)速率低，數(shù)據(jù)位間 隔 UI 就會(huì)比較大，也即讀突發(fā)時(shí)的 DQ 和 DQS 的相對(duì)邊沿位置數(shù)值與寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 的相對(duì)邊沿位置數(shù)值相差比較大（相差 1/4 個(gè) DQS 選通信號(hào)周期）。而當(dāng) DDR 信號(hào)速率越 來(lái)越高后，UI 將越來(lái)越小，此時(shí)即使是讀突發(fā)周期，DQ 與 DQS 信號(hào)的邊沿產(chǎn)生的偏移也 極有可能會(huì)被誤識(shí)別為寫(xiě)突發(fā)，反之，寫(xiě)突發(fā)一樣也可能會(huì)被錯(cuò)誤的判別為讀突發(fā)。

此外，由于電路板上的電子元器件的密集程度越來(lái)越高，而且內(nèi)存類(lèi)的芯片又都是 BGA 封裝的，所以很多情況下難以在信號(hào)走線(xiàn)的最末端進(jìn)行測(cè)試，從而導(dǎo)致測(cè)量到的信號(hào)出現(xiàn)反 射的現(xiàn)象，如下圖 2 所示為一個(gè) DDR3 信號(hào)的測(cè)試圖示，左上和左下分別為寫(xiě)突發(fā)的 DQ 信號(hào)和 DQS 信號(hào)的眼圖，右上和右下分別為讀突發(fā)的 DQ 信號(hào)和 DQS 信號(hào)的眼圖。從圖中 可看出，寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號(hào)的眼圖中也夾雜了讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號(hào)的眼圖，原因正是讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號(hào)在接近電平 50%的位置有明顯的臺(tái)階，此時(shí) DQ 和 DQS 之間的時(shí)延將難以被準(zhǔn)確測(cè)量和確定，也就是說(shuō)使用傳統(tǒng)的通過(guò)“讀邊沿對(duì)齊和寫(xiě)中間對(duì)齊” 的方法將難以精確的分離該情況時(shí)的 DQ 和 DQS 的讀寫(xiě)信號(hào)。

圖 2 某 DDR3 信號(hào)的讀寫(xiě)信號(hào)眼圖

二、基于高速數(shù)字分析儀及專(zhuān)用 DDR調(diào)試分析軟件的內(nèi)存測(cè)試方案

1、使用高速數(shù)字分析儀基于命令總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)分離

內(nèi)存 DDR 接口都擁有并行控制總線(xiàn)信號(hào)，這些控制總線(xiàn)信號(hào)可以清楚的指明 DQ 和 DQS 信號(hào)是處于讀突發(fā)狀態(tài)還是寫(xiě)突發(fā)狀態(tài)，以及這些信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)芯片。所以可以通 過(guò)同時(shí)測(cè)試這些控制信號(hào)來(lái)對(duì) DQ 和 DQS 信號(hào)進(jìn)行讀寫(xiě)分離。但一個(gè)明顯的困難是，除了要測(cè)試 DQ 和 DQS 信號(hào)外，還需要額外再測(cè)試 4 個(gè)控制信號(hào)，若都使用模擬通道進(jìn)行測(cè)試，則示波器的通道將不夠用，而測(cè)試控制信號(hào)的目的是為了協(xié)助分離讀寫(xiě)，所以完全可以使用數(shù)字探頭來(lái)測(cè)試這些控制信號(hào)，然而新一代更高速率的 DDR，如 DDR4，速率比較高，達(dá)到了 3.2Gbps，傳統(tǒng)的低速 MSO 將難以滿(mǎn)足要求。為了應(yīng)對(duì)這樣的需求和挑戰(zhàn)，力科推出了采樣率高達(dá) 12.5GS/s 的高速數(shù)字分析儀及高帶寬易于連接的數(shù)字探頭。下圖 3 所示為力科的高速數(shù)字分析儀 HDA125 與力科的 SDA820Zi-B 串行數(shù)據(jù)分析儀進(jìn)行 DDR 信號(hào)測(cè)試驗(yàn)證的連接示意圖。

圖 3 力科的高速數(shù)字分析儀 HDA125

HDA125 具有 12.5GS/s 的采樣率，存儲(chǔ)深度大小取決于所連接的示波器，最多可配置16 條數(shù)字鏈路，探頭的數(shù)字引線(xiàn)具有 3GHz 帶寬，可采集 6Gbps 的信號(hào)，集成 9 英寸柔性“飛線(xiàn)”來(lái)連接難以抵達(dá)的連接點(diǎn)，且具有非常優(yōu)異的負(fù)載特性（110k 輸入阻抗和 0.12pF 的輸入電容）非常適合于測(cè)試高速 DDR 內(nèi)存信號(hào)。

2、DDR 內(nèi)存專(zhuān)用調(diào)試工具包DDR

內(nèi)存專(zhuān)用調(diào)試工具包是除了一致性測(cè)試工具包之外力科開(kāi)發(fā)的另外一款專(zhuān)用于DDR 內(nèi)存調(diào)試的工具，該工具更加注重于調(diào)試和分析，不是完全包括 JEDEC 規(guī)范要求的所有測(cè)試項(xiàng)目或者說(shuō)只是 JEDEC 測(cè)試規(guī)范要求測(cè)試項(xiàng)目的一個(gè)子集。DDR 內(nèi)存專(zhuān)用調(diào)試工具包具有如下功能和特點(diǎn)：只需按一個(gè)按鈕即可實(shí)現(xiàn) DQ 和 DQS 信號(hào)的讀寫(xiě)分離（基于力科的 Qualify 一致性軟件的讀寫(xiě)分離原理）；對(duì) DQ 和 DQS 信號(hào)進(jìn)行眼圖和模板測(cè)量；對(duì) DQ和 DQS 信號(hào)進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量和分解；包含一系列針對(duì) DDR 信號(hào)的特定測(cè)量參數(shù)。下圖 4 至圖 7 所示為力科 DDR 內(nèi)存專(zhuān)用調(diào)試工具包的界面：

三、使用高速數(shù)字分析儀與 DDR 專(zhuān)用調(diào)試工具包對(duì) DDR 內(nèi)存信號(hào)進(jìn)行調(diào)試

下圖 8 所示為一個(gè) DDR3-800 的單板，讀突發(fā)的 DQ 和 DQS 信號(hào)有一些反射問(wèn)題，信號(hào)形狀見(jiàn)上面圖 2 所示。該單板上連接有 2 個(gè)模擬差分探頭和 5 條數(shù)字通道，模擬探頭采集了 DQ，DQS 信號(hào)連接到力科示波器 SDA 820Zi-B 的 C1 和 C2 上，數(shù)字探頭采集了 CS，WE，RAS，CAS，CLK 信號(hào)通過(guò)力科的高速數(shù)字分析儀 HDA125 也連接到力科示波器 SDA820Zi-B 上。模擬探頭和數(shù)字探頭在測(cè)試之前做了時(shí)序上的校準(zhǔn)。

圖 8 某 DDR3-800 的 DDR 內(nèi)存信號(hào)測(cè)試連接圖

采集到的信號(hào)在示波器屏幕上的顯示如下圖 9 所示。同時(shí)在 DDR 調(diào)試工具包中輸入對(duì) 應(yīng)的命令總線(xiàn)，如下圖 9 下方所示，此時(shí)讀、寫(xiě)突發(fā)被分離出來(lái)并清晰的標(biāo)注在波形上，類(lèi) 似于力科的解碼軟件，DDR 的讀寫(xiě)解碼信息也以類(lèi)似于表格的形式顯示于波形窗口的下方， 每條解碼信息與當(dāng)前所顯示的波形相對(duì)應(yīng)，時(shí)間上同步，故也非常適合于查找和定位特定時(shí) 刻或位置的讀寫(xiě)突發(fā)波形信息。

圖 9 基于 HDA125 和 DDR 專(zhuān)用內(nèi)存調(diào)試分析軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)存信號(hào)的讀寫(xiě)分離

此時(shí)，讀突發(fā)和寫(xiě)突發(fā)的眼圖被準(zhǔn)確的分離，如下圖 10 所示：

圖 10 DDR3 內(nèi)存的 DQ 和 DQS 的讀突發(fā)和寫(xiě)突發(fā)的眼圖

四、利用虛擬探測(cè)工具應(yīng)對(duì) DDR 內(nèi)存信號(hào)中的反射問(wèn)題

在上面的 DDR 調(diào)試示例中，讀突發(fā)因反射問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)明顯的臺(tái)階，這將給讀突 發(fā)時(shí)的時(shí)序測(cè)試帶來(lái)錯(cuò)誤的結(jié)果。而反射問(wèn)題通常是因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)沒(méi)有位于信號(hào)鏈路的最末端 所導(dǎo)致的。力科公司的虛擬探測(cè)軟件 VisualProbe 能夠用于解決此類(lèi)問(wèn)題。 VisualProbe 虛擬探測(cè)軟件需要幾個(gè)參數(shù)：測(cè)試點(diǎn)到末端（反射點(diǎn)）的傳輸延時(shí)、末端 的 RLC 參數(shù)以及特征阻抗。傳輸延時(shí)可以根據(jù)信號(hào)的反射位置測(cè)量得到，如下圖 11 所示， 反射信號(hào)的往返時(shí)間約為 680ps，所以傳輸延時(shí)約為 340ps。RLC 參數(shù)可以從芯片手冊(cè)中的 管腳參數(shù)得到，特征阻抗為 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定，通常為 50 歐姆。

圖 11 DDR3 內(nèi)存讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號(hào)上的反射信號(hào)傳輸延時(shí)測(cè)量

將相關(guān)參數(shù)輸入到虛擬探測(cè)軟件中：

圖 12 虛擬探測(cè)軟件 VisualProbe 參數(shù)設(shè)置界面

虛擬探測(cè)前、后的讀突發(fā) DQ 和 DQS 信號(hào)波形眼圖如下圖 13 所示，左邊為原來(lái)的波形，右 邊為虛擬探測(cè)后的波形?；谔摂M探測(cè)后的 DQ 和 DQS 波形可以順利完成時(shí)序的測(cè)量。

圖 13 讀突發(fā)時(shí)虛擬探測(cè)前、后的 DQ 和 DQS 眼圖比較