利用高速數字分析儀和專(zhuān)用內存軟件調試更高速率 DDR 信號

一、傳統分析軟件針對 DDR 信號的讀寫(xiě)分離原理

常用的 DDR 內存分析軟件一般是通過(guò) DDR 內存的 DQ 數據信號與 DQS 選通信號邊沿 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 信號和 DQS 信號邊沿對齊，寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 信號和 DQS 信號中間對齊，如下圖 1 所示，只要 DQ 信號和 DQS 信號之間的時(shí)序在[-X1， X1]范圍內即認為是讀突發(fā)，如果在[0.25*UI-X2，0.25*UI+X2]范圍內，即為寫(xiě)突發(fā)，示波 器軟件會(huì )進(jìn)行優(yōu)化設定 X1 和 X2 的值以盡可能準確的分離出讀、寫(xiě)信號，不同示波器廠(chǎng)家 的軟件也可能會(huì )有所區別。

圖 1 常用的 DDR 內存分析軟件所使用的讀寫(xiě)分離方法

該方法對于速率較低的 DDR 內存信號來(lái)說(shuō)會(huì )工作得很好，因為信號速率低，數據位間 隔 UI 就會(huì )比較大，也即讀突發(fā)時(shí)的 DQ 和 DQS 的相對邊沿位置數值與寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 的相對邊沿位置數值相差比較大（相差 1/4 個(gè) DQS 選通信號周期）。而當 DDR 信號速率越 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 信號的邊沿產(chǎn)生的偏移也 極有可能會(huì )被誤識別為寫(xiě)突發(fā)，反之，寫(xiě)突發(fā)一樣也可能會(huì )被錯誤的判別為讀突發(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走線(xiàn)的最末端進(jìn)行測試，從而導致測量到的信號出現反 射的現象，如下圖 2 所示為一個(gè) DDR3 信號的測試圖示，左上和左下分別為寫(xiě)突發(fā)的 DQ 信號和 DQS 信號的眼圖，右上和右下分別為讀突發(fā)的 DQ 信號和 DQS 信號的眼圖。從圖中 可看出，寫(xiě)突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號的眼圖中也夾雜了讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號的眼圖，原因正是讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號在接近電平 50%的位置有明顯的臺階，此時(shí) DQ 和 DQS 之間的時(shí)延將難以被準確測量和確定，也就是說(shuō)使用傳統的通過(guò)“讀邊沿對齊和寫(xiě)中間對齊” 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。

圖 2 某 DDR3 信號的讀寫(xiě)信號眼圖

二、基于高速數字分析儀及專(zhuān)用 DDR調試分析軟件的內存測試方案

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

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

圖 3 力科的高速數字分析儀 HDA125

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

2、DDR 內存專(zhuān)用調試工具包DDR

內存專(zhuān)用調試工具包是除了一致性測試工具包之外力科開(kāi)發(fā)的另外一款專(zhuān)用于DDR 內存調試的工具，該工具更加注重于調試和分析，不是完全包括 JEDEC 規范要求的所有測試項目或者說(shuō)只是 JEDEC 測試規范要求測試項目的一個(gè)子集。DDR 內存專(zhuān)用調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 DQ 和 DQS 信號的讀寫(xiě)分離（基于力科的 Qualify 一致性軟件的讀寫(xiě)分離原理）；對 DQ 和 DQS 信號進(jìn)行眼圖和模板測量；對 DQ和 DQS 信號進(jìn)行抖動(dòng)測量和分解；包含一系列針對 DDR 信號的特定測量參數。下圖 4 至圖 7 所示為力科 DDR 內存專(zhuān)用調試工具包的界面：

三、使用高速數字分析儀與 DDR 專(zhuān)用調試工具包對 DDR 內存信號進(jìn)行調試

下圖 8 所示為一個(gè) DDR3-800 的單板，讀突發(fā)的 DQ 和 DQS 信號有一些反射問(wèn)題，信號形狀見(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 條數字通道，模擬探頭采集了 DQ，DQS 信號連接到力科示波器 SDA 820Zi-B 的 C1 和 C2 上，數字探頭采集了 CS，WE，RAS，CAS，CLK 信號通過(guò)力科的高速數字分析儀 HDA125 也連接到力科示波器 SDA820Zi-B 上。模擬探頭和數字探頭在測試之前做了時(shí)序上的校準。

圖 8 某 DDR3-800 的 DDR 內存信號測試連接圖

采集到的信號在示波器屏幕上的顯示如下圖 9 所示。同時(shí)在 DDR 調試工具包中輸入對 應的命令總線(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， 每條解碼信息與當前所顯示的波形相對應，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)用內存調試分析軟件實(shí)現內存信號的讀寫(xiě)分離

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

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

四、利用虛擬探測工具應對 DDR 內存信號中的反射問(wèn)題

在上面的 DDR 調試示例中，讀突發(fā)因反射問(wèn)題導致信號出現明顯的臺階，這將給讀突 發(fā)時(shí)的時(shí)序測試帶來(lái)錯誤的結果。而反射問(wèn)題通常是因為測試點(diǎn)沒(méi)有位于信號鏈路的最末端 所導致的。力科公司的虛擬探測軟件 VisualProbe 能夠用于解決此類(lèi)問(wèn)題。 VisualProbe 虛擬探測軟件需要幾個(gè)參數：測試點(diǎn)到末端（反射點(diǎn)）的傳輸延時(shí)、末端 的 RLC 參數以及特征阻抗。傳輸延時(shí)可以根據信號的反射位置測量得到，如下圖 11 所示， 反射信號的往返時(shí)間約為 680ps，所以傳輸延時(shí)約為 340ps。RLC 參數可以從芯片手冊中的 管腳參數得到，特征阻抗為 PCB 設計時(shí)所設定，通常為 50 歐姆。

圖 11 DDR3 內存讀突發(fā)時(shí) DQ 和 DQS 信號上的反射信號傳輸延時(shí)測量

將相關(guān)參數輸入到虛擬探測軟件中：

圖 12 虛擬探測軟件 VisualProbe 參數設置界面

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

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