摘要：本文針對高速電路設計中經(jīng)常面臨的時序問題，提出了時序分析和計算方法，并結合SPI4.2接口給出了具體分析實例。

　　1 滿足接收端芯片的建立/保持時間的必要性

　　在高速數(shù)字電路設計中，由于趨膚效應、臨近干擾、電流高速變化等因素，設計者不能單純地從數(shù)字電路的角度來審查自己的產(chǎn)品，而要把信號看作不穩(wěn)定的模擬信號。采用頻譜分析儀對信號分析，可以發(fā)現(xiàn)，信號的高頻譜線主要來自于信號的變化沿而不是信號頻率。例如一個1MHz的信號，雖然時鐘周期為1微秒，但是如果其變化沿上升或下降時間為納秒級，則在頻譜儀上可以觀察到頻率高達數(shù)百兆赫茲的譜線。因此，電路設計者應該更加關注信號的邊沿，因為邊沿往往也就是信號頻譜最高、最容易受到干擾的地方。

　　在同步設計中，數(shù)據(jù)的讀取需要基于時鐘采樣，根據(jù)以上分析，為了得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，時鐘的采樣點應該遠離數(shù)據(jù)的變化沿。

　　圖1是利用時鐘CLK的上升沿采樣數(shù)據(jù)DATA的示例。DATA發(fā)生變化后，需要等待至少Setup時間(建立時間)才能被采樣，而采樣之后，至少Hold時間(保持時間)之內(nèi)DATA不能發(fā)生變化。因此可以看出，器件的建立時間和保持時間的要求，正是為了保證時鐘的采樣點遠離數(shù)據(jù)的變化沿。如果在芯片的輸入端不能滿足這些要求，那么芯片內(nèi)部的邏輯將處于非穩(wěn)態(tài)，功能出現(xiàn)異常。

　　2 時序分析中的關鍵參數(shù)

　　為了進行時序分析，需要從datasheet(芯片手冊)中提取以下關鍵參數(shù)：

　　● Freq：時鐘頻率，該參數(shù)取決于對芯片工作速率的要求。

　　● Tcycle：時鐘周期，根據(jù)時鐘頻率Freq的倒數(shù)求得。Tcycle=1/Freq。

　　● Tco：時鐘到數(shù)據(jù)輸出的延時。上文提到，輸入數(shù)據(jù)需要采用時鐘采樣，而輸出數(shù)據(jù)同樣也需要參考時鐘，不過一般而言，相比時鐘，輸出的數(shù)據(jù)需要在芯片內(nèi)延遲一段時間，這個時間就稱為Tco。該參數(shù)取決于芯片制造工藝。

　　● Tsetup(min)：最小輸入建立時間要求。

　　● Thold(min)：最小輸入保持時間要求。

　　除以上五個參數(shù)外，時序分析中還需要如下經(jīng)驗參數(shù)：

　　● Vsig：信號傳輸速度。信號在電路上傳輸，傳輸速度約為6英寸/納秒。

　　時序計算的目標是得到以下兩個參數(shù)之間的關系：

　　● T_flight-data：數(shù)據(jù)信號在電路板上的走線延時。

　　● T_flight-clk：時鐘信號在電路板上的走線延時。

　　以上參數(shù)是進行時序分析的關鍵參數(shù)，對于普通的時序分析已經(jīng)足夠。

　　3 源同步系統(tǒng)的時序計算

　　源同步系統(tǒng)指數(shù)據(jù)和時鐘是由同一個器件驅(qū)動發(fā)出的情況，下圖是常見的源同步系統(tǒng)拓撲結構：

　　該系統(tǒng)的特點是，時鐘和數(shù)據(jù)均由發(fā)送端器件發(fā)出，在接收端，利用接收到的時鐘信號CLK采樣輸入數(shù)據(jù)信號DATA。

　　源同步系統(tǒng)的時序計算公式為^[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)

　　時序計算的最終目標是獲得T_flight-data - T _flight-clk的允許區(qū)間，再基于該區(qū)間，通過Vsig參數(shù)，推算出時鐘信號和數(shù)據(jù)信號的走線長度關系。

　　4 SPI4.2接口時序分析

　　SPI4.2^[2](System Packet Interface Level4, Phase 2)接口是國際組織OIF制定的針對OC192(10Gbps)速率的接口。目前廣泛應用在高速芯片上，作為物理層芯片和鏈路層芯片之間的接口。SPI4.2的接口定義如下：

　　SPI4.2接口信號按照收、發(fā)方向分為兩組，如圖3中，以T開頭的發(fā)送信號組和以R開頭的接收信號組。每組又分為兩類，以發(fā)送信號組為例，有數(shù)據(jù)類和狀態(tài)類，其中數(shù)據(jù)類包含TDCLK、TDAT[15:0]，TCTL，狀態(tài)類包含TSCLK，TSTAT[1:0]。