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来源: 发布时间:2024年04月27日

很多经典的处理器采用了并行的总线架构。比如大家熟知的51单片机就采用了8根并行数据线和16根地址线;CPU的鼻祖——Intel公司的8086微处理器——**初推出时具有16根并行数据线和16根地址线;

现在很多嵌入式系统中多使用的ARM处理器则大部分使用32根数据线以及若干根地址线。并行总线的比较大好处是总线的逻辑时序比较简单,电路实现起来比较容易;但是缺点也是非常明显的,比如并行总线的信号线数量非常多,会占用大量的引脚和布线空间,因此芯片和PCB的尺寸很难实现小型化,特别是如果要用电缆进行远距离传输时,由于信号线的数量非常多,使得电缆变得非常昂贵和笨重。 数字信号上升时间的定义;测试服务数字信号测试方案商

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数字信号的时钟分配(ClockDistribution)

前面讲过,对于数字电路来说,目前绝大部分的场合都是采用同步逻辑电路,而同步逻辑电路中必不可少的就是时钟。数字信号的可靠传输依赖于准确的时钟采样,一般情况下发送端和接收端都需要使用相同频率的工作时钟才可以保证数据不会丢失(有些特殊的应用中收发端可以采用大致相同频率工作时钟,但需要在数据格式或协议层面做些特殊处理)。为了把发送端的时钟信息传递到接收端以进行正确的信号采样,数字总线采用的时钟分配方式大体上可以分为3类,即并行时钟、嵌入式时钟、前向时钟,各有各的应用领域。 测试服务数字信号测试方案商数字信号是由“0”和“1”。

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采用并行总线的另外一个问题在于总线的吞吐量很难持续提升。对于并行总线来说, 其总线吞吐量=数据线位数×数据速率。我们可以通过提升数据线的位数来提高总线吞吐  量,也可以通过提升数据速率来提高总线吞吐量。以个人计算机中曾经非常流行的PCI总  线为例,其**早推出时总线是32位的数据线,工作时钟频率是33MHz,其总线吞吐量=  32bit×33MHz;后来为了提升其总线吞吐量推出的PCI-X总线,把总线宽度扩展到64位, 工作时钟频率比较高提升到133MHz,其总线吞吐量=64bit×133MHz。是PCI插槽  和PCI-X插槽的一个对比,可以看到PCI-X由于使用了更多的数据线,其插槽更长。

但是随着人们对于总线吞吐量要求的不断提高,这种提升总线带宽的方式遇到了瓶颈。首先由于芯片尺寸和布线空间的限制,64位数据宽度已经几乎是极限了。另外,这64根数据线共用一个采样时钟,为了保证所有的信号都满足其建立保持时间的要求,在PCB上布线、换层、拐弯时需要保证精确等长。而总线工作速率越高,对于各条线的等长要求就越高,对于这么多根信号要实现等长的布线是很难做到的。

用逻辑分析仪采集到的一个实际的8位总线的工作时序,可以看到在数据从0x00跳变到0xFF状态过程中,这8根线实际并不是精确一起跳变的。

时域数字信号转换得到的频域信号如果起来,则可以复现原来的时域信号。

描绘了直流频率分量加上基频频率分量与直流频域分量加上基频和3倍频频率分量,以及5倍频率分量成的时域信号之间的差别,我们可以看到不同频域分量的所造成的时域信号边沿的差别。频域里包含的频域分量越多,这些频域分量成的时域信号越接近 真实的数字信号,高频谐波分量主要影响信号边沿时间,低频的分量影响幅度。当然,如果 时域数字信号转变岀的一个个频率点的正弦波都叠加起来,则可以完全复现原来的时域 数字信号。其中复原信号的不连续点的震荡被称为吉布斯震荡现象。 数字信号的波形分析(Waveform Analysis);

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理想的跳变位置。抖动是个相对的时间量,怎么确定信号的理想的跳变位置对于 抖动的测量结果有很关键的影响。对于时钟信号的测量,我们通常关心的是时钟信号是否 精确地等间隔,因此这个理想位置通常是从被测信号中提取的一个等周期分布时钟的跳变 沿;而对于数据信号的测量,我们关心的是这个信号相对于其时钟的位置跳变,因此这个理 想跳变位置就是其时钟有效沿的跳变位置。对于很多采用嵌入式时钟的高速数字电路来 说,由于没有专门的时钟传输通道,情况要更复杂一些,这时的理想跳变位置通常是指用一 个特定的时钟恢复电路(可能是硬件的也可能是软件的)从数据中恢复出的时钟的有效跳 变沿。数字信号处理系统的性能取决于3个因素:采样频率、架构、字长。测试服务数字信号测试方案商

数字信号电平范围象征的逻辑状态;测试服务数字信号测试方案商

采用前向时钟的总线因为有专门的时钟通路,不需要再对数据进行编解码,所以总线效率一般都比较高。还有一个优点是线路噪声和抖动对于时钟和数据线的影响基本是一样的(因为走线通常都在一起),所以对系统的影响可以消除到小。

嵌入式时钟的电路对于线路上的高频抖动非常敏感,而采用前向时钟的电路对高频抖动的敏感度就相对小得多。前向时钟总线典型的数据速率在500Mbps~12Gbps.

在前向时钟的拓扑总线中,时钟速率通常是数据速率的一半(也有采用1/4速率、1/10或其他速率的),数据在上下边沿都采样,也就是通常所说的DDR方式。使用DDR采样的好处是时钟线和数据线在设计上需要的带宽是一样的,任何设计上的局限性(比如传输线的衰减特性)对于时钟和数据线的影响是一样的。

前向时钟在一些关注效率、实时性,同时需要高吞吐量的总线上应用比较,比如DDR总线、GDDR总线、HDMI总线、Intel公司CPU互连的QPI/UPI总线等。 测试服务数字信号测试方案商