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測試與測量  

DDR訊號測量方法及訊號完整性驗證面臨的挑戰與建議

上網時間: 2007年09月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:訊號完整性  時脈抖動  記憶體 

如今,記憶體在電腦、汽車與消費電子產品上無所不在。其中,DDR SDRAM(雙數據率同步動態隨機存取記憶體)是最常用的記憶體設計技術之一,而隨著該技術的發展,其傳輸速率正日益加速,功耗也隨之降低。

傳輸速度的提升正迫使此類記憶體的驗證難度呈指數級上升。記憶體系統要準確工作,其訊號完整性必須滿足某種最低要求。因為訊號完整性對系統互通性而言非常關鍵,或可說唯有保持訊號完整性,才能保證不同廠商生產的元件能良好地共同運作。訊號完整性問題會引發包括時序衝突、協議背離、時脈抖動以及由其他匯流排引發的錯誤等問題。

為協助工程師深入瞭解記憶體技術的測量及驗證需求,本文介紹了DDR訊號的測量方法、DDR訊號驗證面臨的挑戰,並針對其除錯方法提出相關建議。文中提到的方法適用於DDR、DDR2、DDR3和SDRAM等全緩衝DIMM系統除錯。在以下描述中,這些記憶體技術均簡稱為DDR。

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測量方法

JEDEC規格定義了DRAM的接腳或球閘必須滿足電氣與定時方面的要求。一些較新的DDR DRAM採用了精細球閘陣列(FBGA)封裝,此封裝下的焊接球很難接觸。因此,我們建議測量時,探棒應盡可能接近DRAM的球狀焊點。通常,我們可在與焊接球相連的過孔上,或與其相連的電阻處,在靠近DRAM一側的焊盤上測量。

目前最高階的差分主動電壓探棒能在探棒頂端容性負載低於0.22pF的情況下達到13GHz的測量頻寬。此類工具對DDR訊號(通常為單端訊號)的影響非常小,很適合DDR測量,強烈建議大家使用。由於DDR訊號對噪音非常敏感,因此建議在測量此類訊號時採用頻寬足夠大的示波器,以避免示波器的噪音影響測量。有些示波器具備頻寬壓縮功能,能調節至恰好適合測量的頻寬,以實現最精確和可重複的測量。圖1所示為13GHz差分主動探棒連接到DDR2 DIMM過孔上的情形。

圖1:13GHz差分主動電壓探棒連接到DDR2 DIMM的過孔上。
圖1:13GHz差分主動電壓探棒連接到DDR2 DIMM的過孔上。

訊號驗證挑戰

同一根數據匯流排上的DDR數據傳輸是雙向的。這使DDR訊號驗證變得非常困難,因為我們首先必須分離數據匯流排上複雜的數據串流才能對其進行訊號完整性測量。而要想獨立分析(由記憶體控制器和DDR晶片驅動的)訊號完整性和定時關係,也必須分離數據串流。

在探棒和數據匯流排上存在三種狀態,讀取作業(輸出訊號)、寫入作業(輸入訊號)和高阻抗(空閒狀態)。8條數據匯流排構成一個數據群,這個數據群與一個閃頻訊號實現源同步。讀取訊號與寫入訊號之間有一個重要差異:寫入訊號與閃頻訊號的邊沿有90度相差,而讀取訊號與閃頻訊號的邊沿是對齊的。

由於DDR的訊號傳輸較複雜,因此為了能快速測試、除錯和解決訊號上的問題,我們希望能簡單地分離讀/寫位元。此時,最常用的是透過視圖分析來幫助檢查DDR訊號是否滿足電壓、定時和抖動方面的要求。

圖2:利用DQS訊號的標頭位觸發來分離讀/寫訊號。
圖2:利用DQS訊號的標頭觸發來分離讀/寫訊號。

1. 利用標頭寬度觸發器分離讀/寫訊號

我們可以利用讀/寫標頭的寬度來觸發示波器,實現讀/寫訊號分離。根據JEDEC規格,讀取標頭的寬度為0.9到1.1個時脈週期,而寫入標頭的寬度規定為大於0.35個時脈週期,沒有上限。於是,我們在設置觸發條件之前,首先要確定讀/寫標頭的寬度。由於讀取標頭和寫入標頭各自有不同的寬度,因此可利用這一點分離讀出的數據和寫入的數據。

但這種方法在使用過程中也存在問題。首先,JEDEC規格中對標頭寬度的定義比較鬆散,而且不同ASIC/DRAM廠商在這方面的定義也不盡相同。此外,由於寫入標頭的上限沒有定義,因此它也有可能與讀取標頭寬度相同,而如果二者的值過於接近,那麼要想分離讀取訊號與寫入訊號就十分困難了。

第二,如果寫入標頭的寬度為0.5個時脈週期,與一個數據位元的寬度相當,那麼硬體觸發器就無法區分寫入標頭位元與正常數據位元。

第三,隨著DDR數據率變高,時脈週期將變得越來越窄。而隨著時脈週期變窄,寫入訊號的標頭寬度也會大幅縮小。以DDR3-1600為例,其最小標頭寬度只有大約200ps。示波器的硬體觸發器有可能無法被如此窄的脈寬觸發。

2. 利用更大的訊號振幅觸發方法分離讀/寫訊號

通常,讀/寫訊號的訊號振幅是不同的,因此我們可透過在更大的訊號振幅上觸發示波器來實現兩者的分離。然而,振幅更大的訊號並不一定是讀取訊號或是寫入訊號,因此,我們雖然可以區分振幅更大的訊號,但卻無法控制所分析的是讀取訊號或是寫入訊號。當讀/寫訊號振幅接近時則會產生類似的問題。

3. 有限的示波器通道問題

在進行DDR測量時,至少需要5到6個示波器通道,因此示波器通道若有限制,將大幅降低測量效率。至少需要3個通道才能保證控制訊號能在讀取作業或寫入作業時被觸發,而時脈訊號、閃頻訊號和數據訊號又另外需要3個通道。時脈訊號、閃頻訊號和數據訊號之間的定時關係在JEDEC規格中十分重要,必須用3個探棒同時測量這三個訊號,才能檢查它們之間的定時關係是否符合規格。

克服DDR訊號驗證挑戰

目前,一些新型示波器已經為解決目前DDR訊號驗證方法中存在的問題提供了全新的方法。

1. 利用混合訊號示波器(MSO)分離讀/寫週期並進行協議解碼

圖3:利用MSO實現控制訊號觸發並分離讀/寫訊號。
圖3:利用MSO實現控制訊號觸發並分離讀/寫訊號。

DDR訊號由一系列控制訊號線組成,將這些控制訊號連接到MSO的數位輸入埠,就可以讓示波器在不同的工作狀態(讀、寫)下觸發。在每種狀態下,不同控制訊號線都有各自的標識。因此,將示波器設置為在讀取作業或寫入作業上觸發後,我們就可以觀察此時連接到示波器類比輸入通道的閃頻訊號和數據訊號。

MSO示波器還有一個功能,就是幫助進行協議解碼和分析定時衝突。MSO往往具備用戶可配置的匯流排解碼功能,因此可輸入某種作業的解碼,這種解碼就代表了執行該作業時匯流排上的數據。透過將控制訊號集中到一條匯流排上,MSO還可以在訊號傳輸過程中解碼DDR作業,無需再進行人工解碼。

MSO還允許將數位訊號集中到4條不同的匯流排上,然後從解碼表中讀取匯流排資訊。解碼表上顯示了每條匯流排上的數據,如果在配置表中定義了解碼規則,解碼表上還會顯示解碼後的資訊。利用這一功能,我們可將控制訊號和數據訊號集中到2條匯流排上,控制匯流排顯示目前進行的DDR作業,數據匯流排則顯示正在傳輸的數據。當我們必須對每種作業狀態下的DDR協議衝突或定時衝突進行除錯時,這一功能非常有用。

整體而言,MSO對DDR訊號驗證和除錯是十分完美的解決方案。但由於MSO的類比頻寬往往較低,因此只適合DDR1或較慢的DDR2訊號測量。

圖4:解碼表。匯流排1為指令,匯流排2為控制匯流排和訊號匯流排上傳送的數據。
圖4:解碼表。匯流排1為指令,匯流排2為控制匯流排和訊號匯流排上傳送的數據。

2. 區域觸發功能簡化DDR驗證

區域觸發允許我們在示波器螢幕上選定並繪製一個區域,以直觀地確定觸發事件的識別條件。利用區域觸發功能,我們可根據訊號波形是否與選定的區域有交叉來追蹤我們感興趣的訊號。

圖5所示為示波器在無限保持模式下測量所得的獨特讀/寫訊號波形。黃色的是DQS訊號,綠色的是DQ訊號。當示波器設置為在DQS訊號上觸發時,DQ波形顯示讀/寫訊號波形相互重疊。因此,如果能夠在有特點的波形上設置恰當的觸發區域,我們就能利用區域觸發功能輕鬆地分離讀/寫波形。至於如何使用區域觸發方法來分離讀/寫訊號,並沒有確切的規定,應根據訊號特點決定。

圖5:寫入訊號成功地從複雜的讀/寫波形中分離出來。
圖5:寫入訊號成功地從複雜的讀/寫波形中分離出來。

有了這種區域觸發功能,驗證DDR訊號是否符合JEDEC規格就不再需要超過4個示波器通道了。

本文小結

隨著DDR記憶體技術的不斷發展,DDR訊號的完整性問題也日益突出。要想在測量中得到最佳結果,必須採用恰當的測量方法。本文所建議的利用MSO分離讀/寫週期並進行協議解碼,以及利用區域觸發功能分離讀/寫訊號的方法,在解決DDR訊號完整性測量中的問題時,可帶來一定程度的幫助。

作者:Min-Jie Chong

安捷倫科技




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