MPC8379E與DDR2之間的PCB布線及仿真設計

程增艷，吳 駿

（中船重工七二二研究所 湖北 武漢 430079）

MPC8379E是Freescale公司開發(fā)的PowerQUICC II Pro系列的高性能處理器。其內部工作頻率最高可達1.33 GHz，在該工作頻率上處理性能可達3065 MIPS。一級Cache分為數(shù)據(jù)Cache和指令Cache各32 kB，二級Cache最大可配置為512 kB。支持DDR1和DDR2，最高支持533 MHz傳輸速率的DDR2 SDRAM，同時該處理器還支持PCI、PCI-X、PCIE、SRapid IO和4個GbE接口[1]。

內存是計算機系統(tǒng)中至關重要的部分，處理器的每一步操作和操作系統(tǒng)的運行都需要依賴內存，如果內存不能正常訪問整個系統(tǒng)就不可能運行。DDR2技術自從面世至今，憑借其出色的性能廣泛運用于各種計算機主板和嵌入式設備。本文闡述了MPC8379E與DDR2之間的PCB布線及仿真設計。

1 DDR2設計原理

一個DDR2系統(tǒng)包含控制器和存儲器兩部分。從時序上分析DDR2系統(tǒng)是一個源同步時序。所謂源同步時序，就是選通信號（即時鐘信號）不是通過獨立的時鐘源發(fā)送，而是由驅動芯片發(fā)送。DDR2信號分為以下幾組源同步時序信號：Data vs&Data Strobe（讀方向和寫方向）；Data Mask vs&Data Strobe （讀方向和寫方向）；Data Strobe vs&Clock；Address/Command/Control vs&Clock[2]。

與傳統(tǒng)的公用時鐘技術相比，源同步技術顯著提高了總線速度的最大值。由于公用時鐘總線中存在器件延時和PCB走線延時，而且PCB走線的長度也不可能超過某個最大的極限值，這為總線的最快運行速度設置了難以逾越的理論極限。而源同步設計取決于數(shù)據(jù)信號和選通信號之間的延時差，而不是數(shù)據(jù)信號的絕對延時，因此源同步總線沒有理論上的頻率極限。然而數(shù)據(jù)信號和選通信號的延時差與許多因素相關，如同步開關噪聲、走線長度、走線阻抗、信號完整性以及緩沖器特性等，在實踐中，還是對應存在許多頻率極限。

本設計中選用Micron公司的MT47H64M16HW-3LIT芯片作為DDR2顆粒，該芯片支持外部數(shù)據(jù)傳輸率400 MHz或533 MHz，用戶根據(jù)不同的需求可以配置參數(shù)從而實現(xiàn)不同的速率。本系統(tǒng)采用5片該型號DDR2顆粒進行位擴展組成64位數(shù)據(jù)總線和8位ECC（Error Checking Correcting）效驗的工作方式。為了敘述方便將MPC8349E與DDR2接口的信號線分為以下4組[3]：

數(shù)據(jù)組（MDQS/MDQS#[0：8]、MDM[0：8]、MDQ[0：63]、MECC[0：7]）；

地址組（MBA[0：2]、MA[0：15]、MRAS#、MCAS#、MWE#）；

命令組（MCS#[0：3]、MCKE[0：3]、MODT[0：3]）；

時鐘組（MCK/MCK#[0：5]）。

2 DDR2 PCB布線規(guī)則

PCB布線時，按照數(shù)據(jù)組、地址組、控制組、時鐘組及電源的順序依次布線，相互之間的線間距應該控制在25 mil以上。對于單端信號線，阻抗控制在50～60 Ω內，對于差分信號線，阻抗控制在 50～100 Ω 內[4]。

規(guī)則一，對于數(shù)據(jù)組，要求各小組之內走線在同一層并擁有相同數(shù)目的過孔，走線長度差異控制在20 mil內，線間距控制在10 mil以上，所有的信號線走線必須以完整的地層作為參考。不同小組之間，走線長度差異控制在100 mil之內。同時5個小組內部也有對應關系，即MDQS/MDQS#[0]、MDQ[0：7]、MDM[0]為一組對應關系，依次類推。

規(guī)則二，對于地址組和命令組，信號線長度差異控制在100 mil之內線間距控制在10 mil以上。走線以1.8 V電源平面或完整的地層作為參考層。

規(guī)則三，對于時鐘組，差分信號對內走線差異控制在10 mil內，盡量在同一層走線，如果需要換層，2根差分信號線應該一起換。

3 使用Cadence進行DDR2仿真

在高速設計中，如果處理不當，有可能會導致整個系統(tǒng)的失敗，所以必須重視高速設計中的仿真。從 PCB的設計角度來講，要做到嚴格的時序匹配，以滿足波形的完整性，這里有很多的因素需要考慮，所有的這些因素都是會互相影響的。但是，它們之間還是存在一些個性的，由于篇幅有限，本文討論其中的 PCB疊層、阻抗、互聯(lián)拓撲和時序因素[5]。

3.1 PCB 的疊層（stackup）和阻抗

根據(jù)BGA出線的要求，然后考慮走線密度，信號的參考平面（電源層和地層），有幾組交叉的（線寬間距），最終確定布線疊層。通過設置不同層數(shù)的PCB仿真得到波形，對比發(fā)現(xiàn)采用12層的PCB波形信號質量最好。因此本系統(tǒng)采用12層板， 其中 2、4、7、11 層是地層；6、9 層是電源層；1、3、5、8、10、12層是信號層。本系統(tǒng)的疊層如圖1所示[6]。

圖1 層疊設計圖Fig.1 Stickup design graph

在仿真設置中，DRAM的仿真模型設置3種：U48B_IT_DQHALF_ODT50_533，U48B_IT_DQHALF_ODT75_533，U48B_IT_DQHALF_ODT150_533。 分別對應 ODT 為 50 Ω， 75 Ω，150 Ω的仿真模型。選擇ODT為50 Ω和75 Ω進行仿真，波形如圖2所示。

圖2 ODT為50和75 Ω對應的仿真數(shù)據(jù)信號波形圖Fig.2 Simulation data signal waveform graph：ODT=50 and ODT=75

從仿真結果的信號波形可以看出波形的差異，ODT50模式下波形效果最佳。通過上述拓撲仿真圖，ODT模式選擇為50 Ω。由于 DDR2的設計時阻抗必須是恒定連續(xù)的，因此，單端走線的阻抗匹配電阻 50 Ω必須被用到所有的單端信號上，并做到阻抗匹配；而對于差分信號，100 Ω的終端阻抗匹配電阻必須被用到所有的差分信號終端，比如CLOCK和 DQS等信號。另外，所有的匹配電阻必須上拉到VTT（0.9 V），PCB基板材料選用FR-4，要求單端阻抗控制在50 Ω（±10%）。

3.2 互聯(lián)通路拓撲

目前的拓撲結構通常有：點到點（基本上目前高速信號所用的拓撲結構）；多點（菊花鏈型、樹型、星型等等，多用于低速多負載）。本系統(tǒng)中CPU連接5片DDR2顆粒，地址信號和控制信號為一驅五的拓撲結構，選用菊花鏈還是星型對稱拓撲進行布線，涉及到布線層數(shù)和信號質量等問題。我們需要的拓撲結構是既能占用最少的布線通道和布線層數(shù)，同時又能保證良好的信號質量。以下是菊花鏈拓撲結構預布局，用Cadence仿真抽取到的拓撲結構如圖3所示。

圖3 DDR菊花鏈拓撲結構設計圖Fig.3 DDR daisy chain topology structure design graph

SI仿真掃描得到的典型狀態(tài)下負載端波形如圖4和圖5所示。其中圖4為5片DDR2顆粒地址信號（A1）接收負載波形，滿足信號的單調性、小的過沖及小的振蕩。

圖4 菊花鏈拓撲結構狀態(tài)下A1接收端負載波形Fig.4 A1 receiving terminal load waveform for daisy chain topology

圖5為數(shù)據(jù)信號（D4）接收負載波形，從圖中可以看出信號的波形滿足其完整性（良好的單調性、小的過沖及小的震蕩）的要求。

圖5 菊花鏈拓撲結構狀態(tài)下D4接收端負載波形Fig.5 D4 receiving terminal load waveform for daisy chain topology

上述仿真的結果顯示菊花鏈拓撲結構可以滿足系統(tǒng)對信號完整性的要求，因此，在本設計中的5片DDR2采用菊花鏈式拓撲結構。

3.3 時序分析

時序電路根據(jù)時鐘的同步方式的不同，通常分為源同步時序電路 （Source-synchronous timing）和共同時鐘同步電路（common-clock timing）。本系統(tǒng)采用源同步方式仿真，源同步時序電路也就是同步時鐘由發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)的芯片提供。

對數(shù)據(jù)和時鐘信號進行拓撲抽取，成功抽取后的結構放在同一界面，如圖6所示。

進行仿真，仿真后的波形如圖7所示。

對時鐘信號和數(shù)據(jù)信號的波形進行測量，得到數(shù)據(jù)線和時鐘線間的延時約0.28 ns，而DDR2芯片datasheet給出的指標為0.38 ns，可以滿足源同步系統(tǒng)設計要求。

依照上述布線規(guī)則和仿真結果，設計的PCB效果如圖8所示。

4 結束語

圖6 時序仿真拓撲結構Fig.6 Topology of timing simulation

圖7 時序仿真波形Fig.7 Timing simulation waveform

圖8 DDR 2布線效果圖Fig.8 PCB layout graph of DDR 2

本系統(tǒng)通過Cadence進行了布線前仿真以及布線后仿真，取得良好效果，設計生產(chǎn)完成的模塊投入使用后，CPU系統(tǒng)在最高工作頻率下工作穩(wěn)定。本系統(tǒng)中MPC8379E與DDR2之間的布線是整個系統(tǒng)成功的關鍵，上面介紹的只是其中關鍵的規(guī)則以及重要網(wǎng)絡走線，制作中還會遇到很多問題，需要在實際運用中加以體會和總結。

[1]Freescale Semiconductor.MPC8349EA PowerQUICC II Pro Integrated Host Processor Hardware Specifications.[EB/OL].[2011-09-13].http：//cache.freescale.com/files/32bit/doc/ref_manual/MPC8349EAEC.pdf.

[2]Micron Technology.MT47H64M16 DataSheet.[EB/OL].[2007-11-11].http：//www.micron.com/～/media/Documents/Products/Data%20Sheet/DRAM/1Gb_DDR2.pdf.

[3]JESD79-2E， DDR2 SDRAM Specification.USA：Joint Electron Device Engineering Council[S].2008.

[4]許曉平，孫曉彥，程傳勝.PCB設計標準教程[M].北京：北京郵電大學出版社，2008.

[5]張木水，李玉山.信號完整性分析與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]Cadence Inc.Allegro PCB SI UserGuide[M].Berlin：Cadence Inc，2007.