高速数字系统设计_前言.pdf

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1、2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪1高速数字系统设计高速数字系统设计2010-3-22010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪2讲课老师讲课老师安琪 武杰安琪 武杰2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪3联系方式联系方式安琪：安琪：近代物理系 快电子学实验室办公室：近代物理楼近代物理系 快电子学实验室办公室：近代物理楼 506室电话：室电话：3601925Email：课件：课件：研究生教育研究生教育/网络教学平台网络教学平台/课程展示课程展示/理学院理学院2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪4课程目的与内容课程目的与内容本课程不讨论任何具体的数字电路设计，它的重点是介

2、绍和解 释与高速数字系统设计中相关的电路基本理论和模拟电路原理。这 些电路基本理论和模拟电路原理都与高速数字系统的信号传输时如 何保证本课程不讨论任何具体的数字电路设计，它的重点是介绍和解 释与高速数字系统设计中相关的电路基本理论和模拟电路原理。这 些电路基本理论和模拟电路原理都与高速数字系统的信号传输时如 何保证“信号完整性信号完整性（Signal Integrity）”的理论、方法和技术相 关。的理论、方法和技术相 关。“信号完整性信号完整性（Signal Integrity）”概念将在本课程中贯穿始 终，我们所讨论的一切均都是为了保证在高速数字系统设计中信号 的完整性。课程学习特别强调高

3、速数字系统中概念将在本课程中贯穿始 终，我们所讨论的一切均都是为了保证在高速数字系统设计中信号 的完整性。课程学习特别强调高速数字系统中“无源元件无源元件”的行为。这些无 源元件包括了电路板（的行为。这些无 源元件包括了电路板（PCB）、接线、芯片封装，甚至是电路板上 的一个过孔，或是一个接地垫片。在低速时它们可能根本不起眼，但在高速应用时却直接影响着电路的性能，甚至决定着系统的工作 与否。）、接线、芯片封装，甚至是电路板上 的一个过孔，或是一个接地垫片。在低速时它们可能根本不起眼，但在高速应用时却直接影响着电路的性能，甚至决定着系统的工作 与否。2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪5

4、What is Signal Integrity?2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪6教材教材2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪7作者简介作者简介352010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪8Dr.Howard Johnsonhttp:/H?High-Speed Digital Design Seminar?EDN 杂志杂志“Signal Integrity”专栏作家专栏作家?“High-Speed Digital Design”论坛论坛参考书目参考书目2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪9其它参考书目（其它参考书目（1）?High-Speed Digital

5、System Design A Handbook of Interconnect Theory and Design PracticesBy Stephen H.Hall,Garrett W.Hall&James A.McCall中文版：中文版：“高速数字系统设计高速数字系统设计”互连理论和设计实践手册互连理论和设计实践手册伍 微 等译，机械工业出版社，伍 微 等译，机械工业出版社，2005.3?Signal Integrity:SimplifiedBy Eric Bogatin中文版：信号完整性分析中文版：信号完整性分析李玉山 李丽平 等译，电子工业出版社，李玉山 李丽平 等译，电子工业出版

6、社，2004.10?Digital Signal Integrity:Modeling and Simulation with Interconnects&PackagesBy Brian Young?Printed Circuit Board Design Techniques for EMC ComplianceBy Mark I.Montrose?MECL System Design HandbookBy MOTOROLA Inc.2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪10其它参考书目其它参考书目?The Circuit Designers Companion By Tim Wil

7、iams中文版：电路设计技术与技巧中文版：电路设计技术与技巧周玉坤 靳济方 徐 宏 等译 电子工业出版社，周玉坤 靳济方 徐 宏 等译 电子工业出版社，2006.5?Signal Integrity Issues&Printed Circuit Board DesignBy Eric Bogatin中文版：信号完整性问题和印刷电路板设计中文版：信号完整性问题和印刷电路板设计刘雷波 赵岩 译，机械工业出版社，刘雷波 赵岩 译，机械工业出版社，2005.8?高速数字电路设计与噪声控制技术高速数字电路设计与噪声控制技术谢金明 编著，电子工业出版社谢金明 编著，电子工业出版社?PCB电磁兼容技术设计实

8、践电磁兼容技术设计实践顾海洲 马双武 著，清华大学出版社顾海洲 马双武 著，清华大学出版社?Perfect TimingA Design Guide for Clock Generation and DistributionBy CYPRESS Inc.2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪11Why We must understand “Signal Integrity”in high speed digital design?2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪12The Intel 4004 Processor2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪13Pentium

9、43.8 GHz2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪14Intels Processors2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪15Moores Law数据来源：Intel Dr.Gordon E.Moore is one of The new breed of electronic engineers,He earned a B.S.degree in chemistry from the Univ.of California and a Ph.D.degree in physical chemistry from the California Institute of Tec

10、hnology.He was one of the founders of Fairchild Semiconductor and has been director of the research and development lab.since 1959.2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪16Moores Law的描述的描述2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪17“Moores Law remains a fundamental enabler of our growth,&its alive and well at Intel.But the way we and o

11、ur customers look at Moores Law has changed.Moores Law isnt just about more transistors.Its also about how creatively you use those transistors.Paul S.Otellini President&Chief Operating Officer,IntelProcessing PowerDecreasing Costs摩尔定律指的是 系统性能的提高，而 不仅仅指半导体。摩尔定律指的是 系统性能的提高，而 不仅仅指半导体。2010-3-2中国科技大学 快电

12、子学 安琪18多核多线程是未来处理器的发展方向多核多线程是未来处理器的发展方向关键的性能瓶颈：关键的性能瓶颈：CPU主频、内存访问速度以及I/O访问速度之间的发展差距CPU主频、内存访问速度以及I/O访问速度之间的发展差距2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪19Intel Core Duo Processor Microprocessor Architecture2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪20Intel Pentium processor Extreme Edition 955 IntelPentium4 Processor Extreme Edition die20

13、10-3-2中国科技大学 快电子学 安琪21最新的最新的Moores Law描述描述（十亿）（十亿）2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪22INTEL的的45nm技术和技术和四核四核CPU更小晶体管，性能更强大更小晶体管，性能更强大2007 年年 1 月初，英特尔率先研制出了世界第一款月初，英特尔率先研制出了世界第一款 45 纳米纳米 CPU，是，是 15 款款45 纳米处理器产品中的纳米处理器产品中的“老大老大”。英特尔。英特尔 45 纳米技术能够使晶体管切换速度提升 纳米技术能够使晶体管切换速度提升 20%以上，并使晶体管门泄漏率降低超过以上，并使晶体管门泄漏率降低超过 10 倍。

14、这一晶体管技术的新突破将推动着英特尔在台式机、笔记本电脑及服务器的 处理器速度方面不断开创新高。它还将确保倍。这一晶体管技术的新突破将推动着英特尔在台式机、笔记本电脑及服务器的 处理器速度方面不断开创新高。它还将确保摩尔定律摩尔定律在未来十年内继续发挥效力。与英特尔在未来十年内继续发挥效力。与英特尔 65 纳米技术相比，英特尔纳米技术相比，英特尔 45 纳米技术的密度增加了一倍，它在 相同的芯片空间中纳入了近两倍数量的晶体管。这样，双核处理器就拥有了超过 纳米技术的密度增加了一倍，它在 相同的芯片空间中纳入了近两倍数量的晶体管。这样，双核处理器就拥有了超过 4 亿个晶体管，而亿个晶体管，而四核

15、处理器中的晶体管数量则超过了四核处理器中的晶体管数量则超过了 8 亿亿。2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪23Intel 第一个第一个32nm处理器：处理器：Westmere?6核（核（11.7亿亿个晶体管）个晶体管）?首次在同一封装中嵌入了首次在同一封装中嵌入了GPU?DDR3内存内存?频加速技术（频加速技术（Turbo Boost）?超线程技术超线程技术?高级加密标准（高级加密标准（Advanced Encryption Standard,AES）指令，以便实现更快速的加密和解密。）指令，以便实现更快速的加密和解密。32 纳米纳米Westmere晶圆晶圆2010-3-2中国科技大

16、学 快电子学 安琪24Intel将直接进军将直接进军22nm工艺工艺?32nm2009：Westmere系列：系列：6核，核，2010普及，普及，2011：SandyBridge：嵌入：嵌入6代代GPU?22nm 2011：IvyBridge，在结构上和，在结构上和SandyBridge保持一致；保持一致；2012：第二代的：第二代的Haswell 系列，预计将第一次出现八核处理器。系列，预计将第一次出现八核处理器。2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪25Intels Tera-Scale Research Prepares for Tens,Hundreds of Cores1012

17、（万亿万亿）2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪26技术仍在不断发展技术仍在不断发展2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪27时钟频率发展趋势时钟频率发展趋势2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪28电路系统的时钟频率分布电路系统的时钟频率分布PCB板级系统板级系统2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪29Future Perspectives2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪30芯片之间的信号连接芯片之间的信号连接速度 500M?LVDS2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪31时序设计比较时序设计比较数据来源：数据来源：Mentor Graphic

18、s“Advanced Routing Techniques:The Importance of Timing”,April 2003 2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪32信号电平发展趋势信号电平发展趋势2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪33总线系统的发展趋势总线系统的发展趋势?PCI Express?RapidIO2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪34PCB板设计复杂性呈加速发展板设计复杂性呈加速发展2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪35高密度高密度PCB板设计板设计2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪36嵌入式无源元件设计嵌入式无源元件设计2

19、010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪37FPGA-on-Board Integration2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪38例：例：RocketIO Design Kit?Xilinx&Mentor Graphics?仿真仿真PCB 板上板上FPGA之间数千兆位（之间数千兆位（Multi-Gigabit）数据的传输）数据的传输?FPGA输入输出（输入输出（I/O）管脚模型）管脚模型?连接器模型连接器模型?PCB连线的传输线模型连线的传输线模型?Mentor Graphics ICXTM和和HyperLynx设计工具：设计工具：SI分析分析FPGAVirtex-II ProT

20、MFPGAVirtex-II ProTMMulti-Gigabit Data2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪39System on Chip:SoCASIC FPGASoC2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪40消费品类电子产品消费品类电子产品?小型化，便携式?低功耗?高性价比。?高可靠性?多功能集成?小型化，便携式?低功耗?高性价比。?高可靠性?多功能集成2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪41数字系统设计的趋势数字系统设计的趋势?更高的时钟速度更高的时钟速度?更低的功耗更低的功耗?更密集的芯片集成更密集的芯片集成?更复杂的更复杂的PCB板设计板设计?更快的数据传

21、输速度更快的数据传输速度?更低的信号摆幅更低的信号摆幅?更高的性能价格比更高的性能价格比“设计即正确设计即正确”的理念的理念2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪42信号完整性（信号完整性（SI）大势所趋大势所趋采用采用SI分析方法及相关技术的应用，可在电路设计前期进行信号规则 的分析（如时序和关键信号的分析），然后将分析所得的电气规则输入到 系统和分析方法及相关技术的应用，可在电路设计前期进行信号规则 的分析（如时序和关键信号的分析），然后将分析所得的电气规则输入到 系统和PCB软件工具中进行具体设计，这样既可在设计过程中保证信号质 量，又可解放人力、提高设计效率，满足市场要求。而这也

22、正是现今国际 领先的系统和软件工具中进行具体设计，这样既可在设计过程中保证信号质 量，又可解放人力、提高设计效率，满足市场要求。而这也正是现今国际 领先的系统和PCB设计方法和流程，脱离了设计方法和流程，脱离了SI分析技术就无法作到这点。信号完整性工程设计在国外已是一种专门的职业。有许多专业公司进 行咨询服务。分析技术就无法作到这点。信号完整性工程设计在国外已是一种专门的职业。有许多专业公司进 行咨询服务。INTEL、CISCO、MOTOROLA、AMP、LUCENT、IBM、HP等许多公司都已有自己专职的工程师，另外、几乎每个产品的开发团 队中都有专职或兼职的等许多公司都已有自己专职的工程师

23、，另外、几乎每个产品的开发团 队中都有专职或兼职的CAD/SI设计人员。设计人员。国内在该领域还有一定的距离。国内在该领域还有一定的距离。2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪43课程章节课程章节第一章：基础知识第二章：传输线理论及应用第三章：逻辑门电路的高速特性第四章：测量技术第五章：串扰与多层第一章：基础知识第二章：传输线理论及应用第三章：逻辑门电路的高速特性第四章：测量技术第五章：串扰与多层PCB板分层考虑第六章：电源与地系统第七章：时钟技术板分层考虑第六章：电源与地系统第七章：时钟技术2010-3-2中国科技大学 快电子学 安琪44第一章 基本知识第一章 基本知识1-1 信号与信号完整性（信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间频率与时间1-3 时间与距离时间与距离1-4 集总系统与分布系统集总系统与分布系统1-5-3dB频率与上升时间频率与上升时间1-6 四种电抗四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件高速数字系统中的电阻、电容和电感元件