Diseño de Hardware de Alta Velocidad (Powerpoint)



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1 La Integridad de Señal ¿Qué es la SI?La integridad de la señal implica la distribución de señales digitales y analógicas de una parte de un circuito a otra de manera que la información contenida sea transportada de forma determinística y fiable. Ingeniería/Verificación de la SI: La verificación de la SI ocurre durante la fase de diseño para asegurar que un sistema cumple o excede las especificaciones de fabricación, de fiabilidad y de las normativas de la Industria. 1 0 0 0 1 1 Logic Signal +5 Volt Supply Ground Text-Book View of Digital Signals Logic Signal +5 Volt Supply Ground Real View of Digital Signals (analog)
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2 SI – Problemas y Soluciones (Gp:) Osciloscopios, Sondas y Analizadores Lógicos Tektronix ….. los “Ojos” del Ingeniero Integridad de Señal (el problema) “Integridad” – definida como “completa y sin defectos” SI en el diseño analógico/digital consiste en la transmisión de señales de calidad suficiente, inluyendo la capacidad de recuperar y reconstruir la señal Fidelidad de Señal (La Solución de Tektronix) “Fidelidad” es el grado de exactitud y repetibilidad en la reproduccción de las señales para su análisis y depuración No se quiere ser parte del problema cambiando las características de las señales – Se quiere ser lo menos intrusivo posible durante la captura, visualización y análisis de señales.
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3 SI – Normativas de la Industria Buscar: AC Parametrics, AC Specs, AC Timing, Clock Specs
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4 Lo que nos Dicen los Clientes - Tecnologías Velocidades más elevadas 2.5 Gb/s PCI Express (3GIO) 3.125 Gb/s XAUI 333 MHz DDR 1+ GHz RDRAM 3.125Gb/s SFI-5 2.5 Gb/s InfiniBand 1.6 GHz HyperTransport (Gp:) CPU (Gp:) 3GIO (Gp:) Switch (Gp:) MobileDocking (Gp:) 3GIO (Gp:) Memory (Gp:) Local I/O (Gp:) Graphics (Gp:) HDD (Gp:) Serial ATA (Gp:) PCI (Gp:) Memory Bridge (Gp:) MobileDocking (Gp:) MobileDocking (Gp:) USB 2.0 (Gp:) I/O Bridge (Gp:) 3GIO (Gp:) 3GIO
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5 La Innovación Las velocidades en uso actualmente crean más problemas de integridad: Arquitectura de buses síncronos más rápidos Relojes y Datos más rápidos Transiciones más cortas Tiempos de “setup & hold” más críticos Problemas eléctricos y físicos Excursiones de tensión menores Señales diferenciales de alta velocidad Interconexiones de impedancia controlada Dificultad de conexión Interfases Opticas / Eléctricas
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6 Problemática de Diseño (Gp:) Elect / Optical Signal Conformance Test (Gp:) Jitter Analysis (Gp:) Timing Margins (Gp:) Signal Integrity (Gp:) Prototype Debug “Para conseguir diseños fiables hay que analizar cuidadosamente el comportamiento temporal, la distribución de la placa de circuito, la Integridad de Señal, las EMI, y la termodinámica del sistema” Los diseños incorporan más comunicaciones serie Las velocidades de datos más elevadas a menudo requieren de interconexiones ópticas
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7 Los Requerimientos de Medida de la SI según Nuestros Clientes Tiempos de subida menores de 200ps Jmedidas de jitter de 50ps pp Medidas Opticas y Diferenciales Tiempos S&H menores 200ps Sin transmisión de reloj Conformidad con máscaras estándar Medidas específicas de la aplicación Análisis de datos en serie La integridad de señal es nuestro mayor problema
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8 Problemática de Medida Velocidades de datos y reloj mayores Tiempos subida/bajada más rápidos Tiempos S&H más cortos Especificaciones de jitter más exigentes Excursiones de tensión menores Señales diferenciales Problemas de impedancia y terminación Arquitecturas de bus síncronas Mayor número de señales a observar Dificultad de acceso Dificultad de depuración Los diseñadores digitales necesitan correlacionar las características digitales y analógicas de un SUT
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9 Medidas de “Conformidad” en Osciloscopios Ejemplo InfiniBand: Consideraciones sobrer el ancho de banda eléctrico del sistema: BW Osciloscopio = bit rate eléctrico X 1.8 (regla aproximada de las especificaciones Fiber Channel) Para InfiniBand Eléctrico @ 2.5 Gb/s signinfica > 4.5 GHz (para XAUI @ 3.125 Gb/s significa 6GHz) Consideraciones sobrer el ancho de banda óptico del sistema : BW Sistema= bit rate óptico X 0.75 BW filtrado por el Receptor Optico de Referencia (ORR) para STM-16 –3db @1.87GHz, los límites se extienden hasta 4GHz
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10 Ancho de Banda/Precisión Amplitud A la frecuencia de corte a 3dB, el error de amplitud será ~ 30%. La especificación de error de amplitud es típicamente del 3% max. (Gp:) trise (Gp:) 0.35 * (Gp:) BW = (Gp:) * Esta constante se basa en un modelo de 1er orden - en osciloscopios de altísimo ancho de banda la constante puede llegar a ser tan alta como 0.45 (Gp:) 70.7 (- 3 dB) (Gp:) 0.1 (Gp:) 0.2 (Gp:) 0.3 (Gp:) 0.4 (Gp:) 0.5 (Gp:) 0.6 (Gp:) 0.8 (Gp:) 0.9 (Gp:) 1.0 (Gp:) 0.7 (Gp:) 100 (Gp:) 97.5 (Gp:) 95 (Gp:) 92.5 (Gp:) 90 (Gp:) 87.5 (Gp:) 85 (Gp:) 82.5 (Gp:) 80 (Gp:) 77.5 (Gp:) 75 (Gp:) 72.5 (Gp:) } 3% (Gp:) Frecuencia Normalizada (Gp:) Amplitud (%) Osciloscopios
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11 Ancho de Banda & Armónicos Onda Cuadrada Digital – Suma de Componentes Impares -1 0 1 0 50 100 (Gp:) Fundamental (1er Armónico) (Gp:) 5o Armónico (Gp:) 3er Armónico (Gp:) Suma Fourier (1er-5o Armónico)
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12 Consideraciones sobre Flancos Rápidos (Gp:) Non-Monotonic (Non-Linearity) Hay que asegurarse de que las sondas y el sistema de medida no son las causas de estos problemas.
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13 (Gp:) Igual BW de la transición Doble que el BW Tres veces el BW Cinco veces el BW (Gp:) Ancho de Banda Osciloscopio/Sonda: (Gp:) 41% 12% 5% 2% (Gp:) Error Tiempo de Subida= Consideraciones sobre Flancos Rápidos ¡Lo que no vemos nos puede dañar! (Gp:) Forma de Onda Real cuando: BW Osciloscopio= 5X BW Flanco (~2% Error de Tiempo de Subida) (Gp:) 41% Error de Tiempo de Subida: BW Osciloscopio= BW (Gp:) REGLA: Especificar el conjunto Osciloscopio + Sonda con un BW del sistema de 3 a 5 veces mayor que el de la señal a medir. (Gp:) tr(medición) » [ tr(osciloscopio)2 + tr(sonda)2 + tr(señal)2 ]
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14 Tiempos Setup/Hold < 200ps (Ventana Válidez) Tiempos s&h Rambus ~200ps DDR <250ps Firewire 1394b skew <100ps Requiere alineación del orden del ps (Gp:) SETUP TIME (Gp:) HOLD TIME (Gp:) DATA VALID (Gp:) CLOCK (Gp:) DATA (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C Utillaje de Alineación (Deskew)
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15 Especificaciones Medidas: Overshoot, Undershoot, Ringback Monotonicidad (Linealidad) (Gp:) Diagrama de Ojo: p.e. USB
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16 Consideraciones Respuesta Transitoria Tiempos Subida/Bajada Overshoot / Undershoot Fidelidad de Señal Carga Capacidad Análisis TDR Caracterización Impedancia Conectores, backplanes, etc.