15高速数字系统设计_前言

2010-3-2中国科技大学快电子学安琪1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讲课老师安琪武杰2010-3-2中国科技大学快电子学安琪3联系方式安琪：近代物理系快电子学实验室办公室：近代物理楼506室电话：3601925Email：[e-mail]课件：研究生教育/网络教学平台/课程展示/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（SignalIntegrity）”的理论、方法和技术相关。“信号完整性（SignalIntegrity）”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”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。2010-3-2中国科技大学快电子学安琪5WhatisSignalIntegrity?2010-3-2中国科技大学快电子学安琪6教材2010-3-2中国科技大学快电子学安琪7作者简介352010-3-2中国科技大学快电子学安琪[e-mail]ƒHigh-SpeedDigitalDesignSeminarƒEDN杂志“SignalIntegrity”专栏作家ƒ“High-SpeedDigitalDesign”论坛参考书目2010-3-2中国科技大学快电子学安琪9其它参考书目（1）ƒHigh-SpeedDigitalSystemDesign—AHandbookofInterconnectTheoryandDesignPracticesByStephenH.Hall,GarrettW.Hall&JamesA.McCall中文版：“高速数字系统设计”－互连理论和设计实践手册伍微等译，机械工业出版社，2005.3ƒSignalIntegrity:SimplifiedByEricBogatin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，2004.10ƒDigitalSignalIntegrity:ModelingandSimulationwithInterconnects&PackagesByBrianYoungƒPrintedCircuitBoardDesignTechniquesforEMCComplianceByMarkI.MontroseƒMECLSystemDesignHandbookByMOTOROLAInc.2010-3-2中国科技大学快电子学安琪10其它参考书目ƒTheCircuitDesigner’sCompanionByTimWiliams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，2006.5ƒSignalIntegrityIssues&PrintedCircuitBoardDesignByEricBogatin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，2005.8ƒ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ƒPCB电磁兼容技术－设计实践顾海洲马双武著，清华大学出版社ƒPerfectTiming—ADesignGuideforClockGenerationandDistributionByCYPRESSInc.2010-3-2中国科技大学快电子学安琪11WhyWemustunderstand“SignalIntegrity”inhighspeeddigitaldesign?2010-3-2中国科技大学快电子学安琪12TheIntel4004Processor2010-3-2中国科技大学快电子学安琪13Pentium@43.8GHz2010-3-2中国科技大学快电子学安琪14Intel’sProcessors2010-3-2中国科技大学快电子学安琪15Moore’sLaw数据来源：IntelDr.GordonE.MooreisoneofThenewbreedofelectronicengineers,HeearnedaB.S.degreeinchemistryfromtheUniv.ofCaliforniaandaPh.D.degreeinphysicalchemistryfromtheCaliforniaInstituteofTechnology.HewasoneofthefoundersofFairchildSemiconductorandhasbeendirectoroftheresearchanddevelopmentlab.since1959.2010-3-2中国科技大学快电子学安琪16Moore’sLaw的描述2010-3-2中国科技大学快电子学安琪17“Moore’sLawremainsafundamentalenablerofourgrowth,&it’saliveandwellatIntel.ButthewayweandourcustomerslookatMoore’sLawhaschanged.Moore’sLawisn’tjustaboutmoretransistors.It’salsoabouthowcreativelyyouusethosetransistors.PaulS.Otellini－President&ChiefOperatingOfficer,IntelProcessingPowerDecreasingCosts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中国科技大学快电子学安琪18多核多线程是未来处理器的发展方向关键的性能瓶颈：CPU主频、内存访问速度以及I/O访问速度之间的发展差距2010-3-2中国科技大学快电子学安琪19Intel®Core™DuoProcessorMicroprocessorArchitecture2010-3-2中国科技大学快电子学安琪20Intel®Pentium®processorExtremeEdition955Intel@Pentium4ProcessorExtremeEditiondie2010-3-2中国科技大学快电子学安琪21最新的Moore’sLaw描述（十亿）2010-3-2中国科技大学快电子学安琪22INTEL的45nm技术和四核CPU更小晶体管，性能更强大2007年1月初，英特尔率先研制出了世界第一款45纳米CPU，是15款45纳米处理器产品中的“老大”。英特尔45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10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4亿个晶体管，而四核处理器中的晶体管数量则超过了8亿。2010-3-2中国科技大学快电子学安琪23Intel第一个32nm处理器：Westmere 6核（11.7亿个晶体管） 首次在同一封装中嵌入了GPU DDR3内存 频加速技术（TurboBoost） 超线程技术 高级加密标准（AdvancedEncryptionStandard,AES）指令，以便实现更快速的加密和解密。32纳米Westmere晶圆2010-3-2中国科技大学快电子学安琪24Intel将直接进军22nm工艺 32nm2009：Westmere系列：6核，2010普及，2011：SandyBridge：嵌入6代GPU 22nm2011：IvyBridge，在结构上和SandyBridge保持一致；2012：第二代的Haswell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25Intel’sTera-ScaleResearchPreparesforTens,HundredsofCores1012（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2010-3-2中国科技大学快电子学安琪27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PCB板级系统2010-3-2中国科技大学快电子学安琪29FuturePerspectives2010-3-2中国科技大学快电子学安琪30芯片之间的信号连接速度500MƒLVDS2010-3-2中国科技大学快电子学安琪31时序设计比较数据来源：MentorGraphics“AdvancedRoutingTechniques:TheImportanceofTiming”,April20032010-3-2中国科技大学快电子学安琪32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 PCIExpress 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2010-3-2中国科技大学快电子学安琪35高密度PCB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2010-3-2中国科技大学快电子学安琪37FPGA-on-BoardIntegration2010-3-2中国科技大学快电子学安琪38例：RocketIODesignKit Xilinx&MentorGraphics 仿真PCB板上FPGA之间数千兆位（Multi-Gigabit）数据的传输FPGA输入输出（I/O）管脚模型连接器模型PCB连线的传输线模型MentorGraphicsICXTM和HyperLynx@设计工具：SI分析FPGAVirtex-IIProTMFPGAVirtex-IIProTMMulti-GigabitData2010-3-2中国科技大学快电子学安琪39SystemonChip:SoCASICFPGASoC2010-3-2中国科技大学快电子学安琪40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 更高的时钟速度 更低的功耗 更密集的芯片集成 更复杂的PCB板设计 更快的数据传输速度 更低的信号摆幅 更高的性能价格比“设计即正确”的理念2010-3-2中国科技大学快电子学安琪42信号完整性（SI）大势所趋采用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。而这也正是现今国际领先的系统和PCB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。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CAD/SI设计人员。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2010-3-2中国科技大学快电子学安琪44第一章基本知识1-1信号与信号完整性（SignalIntegrity）1-2频率与时间1-3时间与距离1-4集总系统与分布系统1-5-3