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SDRAM布线规则

2014-11-10 10:09:13 14010 SDRAM PCB

0 SDRAM接口电路和PCB布线很多人对内存布线感到迷茫，找不到切入点，不知如何下手，其实高速硬件设计的主要任务就是与干扰做斗争，内存布线也不例外。可以这样考虑：内存是做什么用的呢？是用来存储数据的，写入1读出1，写入0读出0，即保证数据访问正确。那么，在什么情况会导致数据访问错误呢？ 1、判决错误，0判成1，1判成0。可能参考电平不准(为什么不准？信号线内阻造成的压降)，也可能是加性干扰，或者阻抗不匹配引起信号畸变。 2、时序错误，不满足建立/保持时间，或者采样点相位错误，不在有效信号位置上。触发器需要维持一段时间的能量供给才能正常工作，这个时间就是建立/保持时间。那么只要解决好这两个问题，保证内存正确访问，你的内存电路就设计成功了。有了这个指导思想，内存布线就可以按部就班地完成。不过，不同的RAM类型，虽然目标都是避免判决和时序错误，但实现方法因工作模式不同而有较大差异。高速系统一般采用低压信号，电压低，摆幅小，容易提高速度，降低功耗，但这给布线带来了困难，因为低压信号功率受信号线内阻影响大，是电压平方关系，所以要尽量减少内阻，比如使用电平面，多打孔，缩短走线距离，高压传输在终点用电阻分压出较低电压的信号等。SDRAM、DDR-I、DDR-II、DDR-III信号电压一个比一个低，越来越不容易做稳定。电源供给也要注意，如果能量供给不足，内存不会稳定工作。下面先介绍一下时钟同步电路的类型，然后分析具体芯片的类型。源同步就是指时钟选通信号clk伴随发送数据一起由驱动芯片发送。公共时钟同步是指在数据的传输过程中，总线上的驱动端和接收端共享同一个时钟源，在同一个时钟缓冲器(clock buffer)发出同相时钟的作用下，完成数据的发送和接收。公共时钟同步——将同一个时钟信号用时钟分配器分成2路，一路接发送器，一路接接收器。在时钟上升沿发送数据，在下一个周期的上升沿采样接收。速率在200-300MHZ以下。源同步——是时钟和数据一起发送，时钟稍稍滞后发送，传输速率主要由数据和时钟信号间的时差决定。因此速率快。公共时钟同步电路走线长度有最大值len <=，源同步电路走线长度有最小值<= len 经常看到“等长布线”，其实，等长不是目的，真正的目的是满足建立保持时间，同频同相，采样正确。等长只不过可以最简单地实现这个目的罢了。要定量分析线长，必须按照时钟模型公式计算。时钟同步电路的类型在后面有简单介绍，这里只要知道SDRAM是公共时钟同步，DDR是源同步就可以了。 SDRAM是公共时钟同步模式，只关心建立时间，不关心保持时间。这些时间和各段飞行时间，经过各个门电路延时，clock skew，jitter，cycle等有关，需要按照公式精确计算。算出各种参数后下规则，让EDA软件辅助设计。选出最长的一根线，不需要计算什么，只要与之等长即可。有些软件能自己算，有些只能自己一段段计算，可以编程让EXCEL表格对某种格式的报告文件自动求和，也算半自动化了。 DDR的所有信号都要加匹配，不论多复杂，为了稳定性。始端匹配串接一个22/33欧电阻即可，终端匹配分为AC匹配和DC匹配，阻容可以对噪点抑制，戴维宁电路可以提供高压输电，使参考电平更准确，虽然直流功耗大，但比单个50欧功耗小 CPU和DDR都是高速器件，DDR热量高，应远离。而且DDR是源同步时钟模式，对保持时间有要求，不是线越短越好，有最小距离要求。保证时钟稳定，同频同相，冗余大即可。有时，信号线有交叉的情况，此时，可以在PCB里调线，再反标回去，因为RAM的各个数据线不需要一一对应，只要有地方存储bit就可以了。注意：刷新线A10不能调，需要读取RAM ID时也不能调整。评价设计的好坏要看Margin(冗余)，setup time margin和hold time margin，SDRAM/DDR工作没问题并不意味着margin小，也许在实验室可以正常工作，可一到现场就死机。频率漂移，时钟抖动，相差，介电常数变化等都会导致采样错误/不满足建立保持时间，而margin大就可以尽量抵抗这些干扰，在一个恶劣的环境里仍然保持稳定。 2410使用64M字节的SDRAM扩展数据存储区，由两片K4S561632组成工作在32位模式下，最高频率可达100M以上，对于SDRAM的数据线、时钟线、片选及其它控制信号需要进行线长匹配，由此提出以下布线要求： 1． SDRAM时钟信号：时钟信号频率较高，为避免传输线效应，按照工作频率达到或超过75MHz时布线长度应在1000mil以内的原则及为避免与相邻信号产生串扰，走线长度不超过1000mil，线宽10mil，内部间距5mil，外部间距30mil，要求差分布线，精确匹配差分对走线，误差允许在20mil以内。 2．地址、片选及其它控制信号：线宽5mil，外部间距12mil，内部间距10mil，尽量走成菊花链拓补，可有效控制高次谐波干扰，可比时钟线长，但不能短。 3． SDRAM数据线：线宽5mil，内部间距5mil，外部间距8mil，尽量在同一层布线，数据线与时钟线的线长差控制在50mil内。 4．在重要的控制信号线上一搬串联33的电阻，消除干扰。嵌入式系统使用64M字节的SDRAM扩展数据存储区，由两片K4S561632组成工作在32位模式下。最高频率可达100M以上，对于SDRAM的数据线、时钟线、片选及其它控制信号需要进行线长匹配，由此提出以下布线要求： 1. SDRAM时钟信号：时钟信号频率较高，为避免传输线效应，按照工作频率达到或超过75MHz时布线长度应在1000mil以内的原则及为避免与相邻信号产生串扰。走线长度不超过1000mil，线宽10mil，内部间距5mil，外部间距30mil，要求差分布线，精确匹配差分对走线。误差允许在20mil以内。因为表层介电常数低，适合布高速信号，但是因为一侧是空气，存在电磁辐射，屏蔽效果差，因此不能布电磁辐射强的信号，如时钟信号。 2. 地址,片选及其它控制信号：线宽5mil，外部间距12mil，内部间距10mil。尽量走成菊花链拓补。可有效控制高次谐波干扰，可比时钟线长，但不能短。 3. SDRAM数据线：线宽5mil，内部间距5mil，外部间距8mil，尽量在同一层布线，数据线与时钟线的线长差控制在50mil内。（SDRAM布线中，SDCLK与DATA的长度相差<=800mil）(~+ A- C6 b% H) Y4 i% _ 根据布线要求，在allegro中设置不同的约束：针对线宽设置3 个约束SDRAM_CLK，SDRAM_ADDDR，SDRAM_DATA，设置完约束后将约束添加到对应的net上。使得各个net都具有线宽、线距约束属性。最后为不同的信号组选择合适的约束即可。但是设置的约束在系统CPU内部是无法达到的。因为EP9315为BGA封装。pin间距1.27毫米，显然在CPU内部，线宽线距无法达到上述要求，利用Allegro设置CPU特殊走线区域cpu_area。并加上area属性，在此区域中另设置适合BGA内部走线的约束。下面简单说下内外层布线的特点：（1）表层（TOP和BOTTOM层）布线) 分析一下表层布线的环境，线的一侧是介质，一侧是空气（忽略阻焊油漆），等效介电常数小于中间层，传输线延时较小，这个特点决定了表层走线可以有更快的信号传输速度，因此可以利用表层布信号速度很快的信号，如2.5GHz或3.125GHz，布高速信号时尽量不要打孔，如果实在需要打孔，从TOP打孔换层到BOTTOM，或者从BOTTOM打孔换层到TOP，也不存在过孔的stub效应，这个特点也是内层布线所不具备的优势。但表层布线不是完美无缺的，由于走线一侧是空气，所以存在电磁辐射效应，因此不能布时钟等强辐射信号。（2）内层布线内层布线的优势是可以很好的利用参考平面实现屏蔽效果，可以很好地控制阻抗，由于内层没有表层的SMD器件焊盘，所以布线空间比表层更大，布线特别是布总线更容易。但内层布线由于两侧都是介质，等效介电常数比表层更大，所以传输延时较大，另外内层布线时换层会存在过孔stub效应，过孔stub一来会加大传输线延时，另外一方面会使传输线阻抗不够连续。在现实环境中，由于内层有更大的布线空间，尽管存在延时较大等不足，我们还是倾向于把更多的线布在内层，至少在1GHz以下是不会有太大影响的。 SDRAM,133MHz的应该没有什么大关系的，不过还是要做一下的。差分时钟控制在+-50mil以下，严格的差分走线；控制信以及地址线要和时钟线等长，线长不超过+-100mil. 至于数据线，没有必要和时钟线，地址线以及控制线等长。每８个bit也就是一个Byte及其对应的DQS，DQM为一组。以３２位DDR2为例：其实一共可以分为五个组来控制走线长度：第一组：时钟以及控制线，地址线，所有的走线等长，误差在+-100mil之间，时钟要求更高，该组走线长度不宜短于数据线长度。第二组：Byte0（D0-D7）以及DQS0,DQM0为一组，要求等长，误差在+-100mil之间，可适当放宽。第三组：Byte1 (D8-D15）以及DQS1,DQM1为一组，要求等长，误差在+-100mil之间，可适当放宽。_ 第四组：Byte2（D16-D23）以及DQS2,DQM2为一组，要求等长，误差在+-100mil之间，可适当放宽。第五组：Byte3（D24-D32）以及DQS3,DQM3为一组，要求等长，误差在+-100mil之间，可适当放宽如果用Allegro来做的话，可以很方便的利用Net,Xnet等办法来设置等长。 2
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