信號(hào)完整性的價(jià)值：存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器和其它組件之間的問(wèn)題通常存在于這些器件之間的接口上，這些系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題有時(shí)候是難以覺(jué)察的。本文詳述了一種能夠很容易地識(shí)別和解決這些出現(xiàn)在存儲(chǔ)器接口上問(wèn)題的測(cè)試工具，從而使你的設(shè)計(jì)更為魯棒。

過(guò)去，設(shè)計(jì)工程師已在新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用信號(hào)完整性（SI）測(cè)試并用于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。盡管SI在工程階段非常有價(jià)值，但它并非萬(wàn)能藥，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷深化，其價(jià)值實(shí)際上會(huì)變得越來(lái)越小，并且要用溫度及電壓邊際測(cè)試（margin testing）來(lái)補(bǔ)充或替代SI測(cè)試以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

表1： 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、測(cè)試及驗(yàn)證工具。

正確選擇存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、測(cè)量和驗(yàn)證的工具將減少工程時(shí)間并增加檢測(cè)潛在問(wèn)題的可能性。表1是5個(gè)用于存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的重要工具的簡(jiǎn) 短描述，由于本文將重點(diǎn)放在用于確認(rèn)設(shè)計(jì)的功能性及魯棒性的工具上，這一列表并未完全列出所有的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)工具，表2說(shuō)明了在什么時(shí)候采用這些工具最為有 效。

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的5個(gè)階段

調(diào)試實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有邏輯分析儀對(duì)設(shè)計(jì)和調(diào)試是不可思議的，然而，鑒于對(duì)成本和時(shí)間的考慮，邏輯分析儀很少成為檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)故障或問(wèn)題的首選工具，它們卻常用來(lái)調(diào)試由兼容性或4-角測(cè)試（4-corner）所檢測(cè)到的問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)包括5個(gè)階段：

階段1-設(shè)計(jì)

要在硬件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)概念或思想，由于沒(méi)有現(xiàn)成的原型，只可采用仿真工具，因此，設(shè)計(jì)工程師只能依靠電及行為仿真工具來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

階段2-阿爾法原型

阿爾法原型是最初或較早的原型，它可能會(huì)在生產(chǎn)（BIOS、功能性等）前就經(jīng)過(guò)多次改變。

設(shè)計(jì)工程師必須在阿爾法原型上進(jìn)行足夠的測(cè)試以確保下一個(gè)原型，至少?gòu)挠布嵌戎v，將接近生產(chǎn)就緒狀態(tài)。就這一點(diǎn)而言，可靠的工具將至關(guān)重要。

首先要采用的工具是啟動(dòng)和軟件檢驗(yàn)，由此可得出有價(jià)值的信息，這些信息與基本軟件檢驗(yàn)相結(jié)合，從而指出需要加以改變的數(shù)據(jù)，由于基本硬件改變尚有可能，徹底的軟件檢驗(yàn)或許尚不可行。

表2：驗(yàn)證與設(shè)計(jì)階段相對(duì)的存儲(chǔ)器功能性的工具。

在這個(gè)階段SI測(cè)試起著重要作用，它捕獲線路板上線跡的模擬信號(hào)，這些捕獲可與仿真或器件規(guī)格進(jìn)行比較來(lái)確定這一器件是否符合規(guī)格及有充足的時(shí)序裕量，否則，就必須對(duì)器件加以改進(jìn)。

然而，有一種在這個(gè)階段不應(yīng)使用的工具是邊際測(cè)試，該測(cè)試只能在硬件完成后采用。在運(yùn)行相應(yīng)的測(cè)試后，設(shè)計(jì)工程師要進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)變更，包括可能要通過(guò)電或行為的仿真來(lái)確保設(shè)計(jì)達(dá)到所需的效果。

階段3-貝塔原型

在最后階段（貝塔原型），硬件接近成品狀態(tài)， 僅有一些很小的問(wèn)題出現(xiàn)，組合測(cè)試可以確保系統(tǒng)處于生產(chǎn)就緒狀態(tài)，軟件或兼容性的測(cè)試必須徹底，這一測(cè)試可單獨(dú)執(zhí)行或與邊際測(cè)試結(jié)合在一起執(zhí)行，邊際測(cè)試 的涵蓋范圍應(yīng)當(dāng)是廣泛的。不同的溫度與其極限電壓電平對(duì)識(shí)別這些問(wèn)題及邊際時(shí)有價(jià)值，這一組合應(yīng)捕獲可能出現(xiàn)的存儲(chǔ)器故障。

在這一階段SI測(cè)試的作用有限，但它可用于調(diào)試功能性的故障或確認(rèn)在阿爾法原型階段所進(jìn)行的改變。SI測(cè)試不應(yīng)用于驗(yàn)證來(lái)自未被改變的阿爾法原型的信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)。假如在貝塔原型階段有任何補(bǔ)充性的修改，則有必要通過(guò)電和/或行為仿真或SI對(duì)這些修改進(jìn)行確認(rèn)。

階段4-生產(chǎn)

在生產(chǎn)階段很少對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改變，這一階段的重點(diǎn)在于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，系統(tǒng)的生產(chǎn)或許需要幾個(gè)月甚至幾年，這一生產(chǎn)或許要用到數(shù)百或數(shù)千個(gè)元件，公司有一套穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的程序顯得尤為重要。

在系統(tǒng)進(jìn)入生產(chǎn)階段后對(duì)元件上進(jìn)行一系列的質(zhì)量測(cè)試，可以確保足夠的元件供應(yīng)以使生產(chǎn)不致中斷。在生產(chǎn)階段，極少對(duì)母板的線 跡和布局加以改變，由于SI測(cè)試已用于確認(rèn)那些改變，在這一階段，SI測(cè)試不再必要。此外，SI測(cè)試不能捕獲以往由系統(tǒng)/存儲(chǔ)器相關(guān)的問(wèn)題所造成的故障， 首選的工具及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵是兼容性及邊際測(cè)試。

階段5-后期制作

像MP3播放器或DVD錄音機(jī)這樣的系統(tǒng)在生產(chǎn)后段沒(méi)有穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的要求，然而，其它的系統(tǒng)可能有存儲(chǔ)器升級(jí)或支持的要求，這一點(diǎn)在筆記本電腦、移動(dòng)PC及其它器件中尤為常見(jiàn)，而且在生產(chǎn)后段的數(shù)年都很重要，邊際測(cè)試及兼容性測(cè)試成為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1：從示波器所獲得的典型的信號(hào)完整性問(wèn)題。

信號(hào)完整性測(cè)試

電子設(shè)計(jì)工程師喜歡使用示波器觀察電路設(shè)計(jì)并評(píng)估信號(hào)。圖1顯示了一個(gè)典型的SI捕獲，在這一實(shí)例中，目標(biāo)照片表明信號(hào)來(lái)自單個(gè)DDR同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM）組件：地址組1、片選擇信號(hào)及不同的系統(tǒng)時(shí)鐘。

SI測(cè)試過(guò)程用系統(tǒng)信號(hào)的示波器光圖來(lái)評(píng)估電壓隨時(shí)間的變化，這些光圖或“捕獲”通過(guò)視覺(jué)來(lái)評(píng)價(jià)違規(guī)狀態(tài)，這種方法因?qū)こ虒?zhuān)家的水平提出高的要求，因而是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。

如圖1所示的SI測(cè)試圖能夠反映出振鈴、上沖/下沖和時(shí)鐘沖突（斜率、建立/保持時(shí)間、總線爭(zhēng)用等），假如上述狀況中有任何一種出現(xiàn)，通過(guò)兼容性及邊際測(cè)試都能輕易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，在這些問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)后，其它的工具（邏輯分析儀、SI測(cè)試等）能夠確定故障的原因。

SI分析的局限性

SI分析正變得越來(lái)越困難并且消耗時(shí)間，在像FBGA封裝這樣的情況下，幾乎不可能進(jìn)行SI分析，原因何在？除非探測(cè)點(diǎn)被增加到設(shè)計(jì)當(dāng)中，在FBGA封裝中是不可能探測(cè)到信號(hào)的。

在多芯片模組（MCM）封裝中，將各種不同的芯片組合在一個(gè)封裝內(nèi)，這些封裝既可用鑄?；衔镆部捎妹荛]的方法加以保護(hù)，并且封裝內(nèi)的信號(hào)無(wú)法被探測(cè)到。

采用探測(cè)器來(lái)測(cè)量SI會(huì)改變正在被測(cè)量的信號(hào)，由于增加電容會(huì)引入一些問(wèn)題，或造成SI變化消失。盡管可采用有源或場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）探測(cè)器，這種狀況由于頻率升高變得越來(lái)越普遍，尤其在具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中。

對(duì)于存儲(chǔ)器質(zhì)量或穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量而言，SI測(cè)試有其局限性，Micron公司已在存儲(chǔ)器的多種內(nèi)部質(zhì)量測(cè)試時(shí)采用成百上千種SI示波器捕獲分析，得出如下結(jié)論：

* 在開(kāi)發(fā)的初期采用SI測(cè)試能夠捕獲故障及識(shí)別重大錯(cuò)誤。

* SI測(cè)試用于驗(yàn)證板的改變。

* 板設(shè)計(jì)完成后，SI測(cè)試尚有一點(diǎn)價(jià)值。

圖2：隨電壓和溫度變化而變化的器件規(guī)格的實(shí)例。

Micron公司的內(nèi)部測(cè)試流已脫離SI測(cè)試，它由以下幾點(diǎn)組成：

* 兼容性及邊際測(cè)試用于確認(rèn)或測(cè)試具有存儲(chǔ)器的系統(tǒng)。

* 在兼容性及邊際測(cè)試檢測(cè)到錯(cuò)誤后，不同的診斷工具用于隔離這一故障。

* 假如軟件確定了系統(tǒng)中的故障類(lèi)型（地址、行、單個(gè)單元等），存儲(chǔ)器芯片或模塊被隔離并被測(cè)試，然后我們會(huì)嘗試在存儲(chǔ)器測(cè)試夾具中復(fù)制這一故障狀態(tài)。

* 如果軟件不能提供有關(guān)故障的詳細(xì)資料，可將存儲(chǔ)器從系統(tǒng)中移開(kāi)，然后進(jìn)行組件或模塊測(cè)試來(lái)發(fā)現(xiàn)故障。

*　邏輯分析儀可用于確定故障問(wèn)題/類(lèi)型及違規(guī)情況。

盡管可采用示波器，經(jīng)驗(yàn)表明在迅速測(cè)量、確認(rèn)和調(diào)試系統(tǒng)方面，其它的工具會(huì)更有效。我們相信這些替代工具使設(shè)計(jì)工程師能夠迅速地實(shí)現(xiàn)故障分析和排除。

Micron公司的自我質(zhì)量控制流程得到如下結(jié)論：

* 定期的兼容性測(cè)試及邊際測(cè)試會(huì)暴露一些系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題或困難。

* SI不能發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)器或系統(tǒng)級(jí)診斷所不能識(shí)別的任何問(wèn)題，SI發(fā)現(xiàn)的是與其它測(cè)試所發(fā)現(xiàn)的相同的故障，因此重復(fù)了邊際測(cè)試及軟件測(cè)試的性能。

* SI測(cè)試很耗時(shí)，探測(cè)64位數(shù)據(jù)總線及俘獲目標(biāo)示波器屏幕圖會(huì)消耗時(shí)間。

* SI采用昂貴的設(shè)備（示波器和探測(cè)器）

* 因需要高級(jí)工程師分析來(lái)評(píng)估目標(biāo)信號(hào)的圖片，故而SI占用了寶貴的工程資源。

* SI測(cè)試不能發(fā)現(xiàn)所有的故障，兼容性及邊際測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)SI測(cè)試所不能檢測(cè)到的錯(cuò)誤。

SI測(cè)試的替代方法

SI測(cè)試的替代方法被用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、存儲(chǔ)器質(zhì)量控制和測(cè)試，本節(jié)將簡(jiǎn)要敘述這些工具及其使用方法。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)極適于軟件測(cè)試，因?yàn)橛?jì)算機(jī)能夠利用現(xiàn)成軟件，所以可使用多種存儲(chǔ)器診斷工具。當(dāng)選擇軟件工具時(shí)，應(yīng)關(guān)注那些支持強(qiáng)大升級(jí)功能的工具，并選擇可與新的診斷工具相結(jié)合的程序，診斷工具用來(lái)捕獲以前所未知的故障機(jī)制。

與PC不同，其它產(chǎn)品如消費(fèi)電子、嵌入式及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的測(cè)試更加困難。針對(duì)這些應(yīng)用類(lèi)型，設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)專(zhuān)用工具或根本不使用 這些工具，編制更為魯棒的專(zhuān)用工具能獲得比SI測(cè)試更多的益處。值得注意的是：有時(shí)候在系統(tǒng)中不可能進(jìn)行與存儲(chǔ)器規(guī)格有關(guān)的測(cè)試（如MPEG解碼或網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)包傳輸），在這些情況下，就應(yīng)采用其它工具。

邊際測(cè)試

邊際測(cè)試強(qiáng)迫系統(tǒng)暴露邊際問(wèn)題，有兩類(lèi)邊際測(cè)試尤其重要：電壓及溫度的強(qiáng)化測(cè)試。這兩類(lèi)強(qiáng)化測(cè)試重點(diǎn)在于使DRAM和DRAM控制器暴露到可能顯示系統(tǒng)問(wèn)題的狀態(tài)，圖2以實(shí)例說(shuō)明系統(tǒng)規(guī)格如何隨溫度變化。

作為典型的邊際測(cè)試，4角測(cè)試已被證明為測(cè)試存儲(chǔ)器的最有效的方法之一，就測(cè)試時(shí)間和所需的資源而言，這種測(cè)試也是可行的。對(duì)于一個(gè)具有最小和最大電壓及溫度分別為3.0V 和 3.6V 及0°C和70°C的系統(tǒng)而言，這四個(gè)角是：

*角1

* 最大電壓，最高溫度：3V，70°C

* 角2

* 最大電壓，最低溫度：3.6V，0°C

* 角2

* 最小電壓，最高溫度：3.0V，70°C

* 角4

* 最小電壓，最低溫度：3.0V，0°C

盡管方法不同，但通常的程序是讓系統(tǒng)在某個(gè)溫度和電壓保持穩(wěn)定，然后在這一角進(jìn)行一系列的測(cè)試，如果出現(xiàn)故障，應(yīng)對(duì)此加以分 析。另外一種是2角測(cè)試，輸入到存儲(chǔ)器的電壓可能由電壓調(diào)節(jié)器控制，因此無(wú)法調(diào)節(jié)輸入到DRAM的電壓，在這種情況下，可采用最大和最小溫度測(cè)試或兩角測(cè) 試。

功率周期測(cè)試

功率周期強(qiáng)化測(cè)試反復(fù)開(kāi)關(guān)（重啟）系統(tǒng)，測(cè)試包括冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)測(cè)試。系統(tǒng)由未被運(yùn)行狀態(tài)到進(jìn)入環(huán)境溫度下的運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程 稱(chēng)為冷啟動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行了一段時(shí)間且內(nèi)部溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行的啟動(dòng)為熱啟動(dòng)。在啟動(dòng)或上電時(shí)，在可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方會(huì)發(fā)生獨(dú)立的事件，包括電源供應(yīng)電壓的升高 及存儲(chǔ)器的初始化，間歇性的問(wèn)題只可通過(guò)反復(fù)啟動(dòng)被檢測(cè)到。

自動(dòng)刷新測(cè)試

DRAM單元漏電且必須被刷新以便正常操作，要節(jié)省耗電，自動(dòng)刷新應(yīng)在存儲(chǔ)器處于非讀寫(xiě)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)入和退出自動(dòng)刷新功 能時(shí)，存儲(chǔ)器控制器會(huì)提供正確的命令；否則會(huì)丟失數(shù)據(jù)。與功率周期類(lèi)似，自動(dòng)刷新周期非常有用。如果出現(xiàn)某種間歇性的自動(dòng)刷新進(jìn)入或退出問(wèn)題，重復(fù)這一周 期有助于檢測(cè)到這些問(wèn)題。不采用自動(dòng)刷新的應(yīng)用應(yīng)避免這種測(cè)試。

本文小結(jié)

存儲(chǔ)器及其它組件間接口中的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題可能是細(xì)微且難以覺(jué)察的，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間采用正確的工具可使設(shè)計(jì)工程師很容易地識(shí)別出潛 在的問(wèn)題并增加設(shè)計(jì)的魯棒性。重新評(píng)估邊際測(cè)試和兼容性測(cè)試，尤其是在內(nèi)存質(zhì)量控制或確認(rèn)過(guò)程中的作用，會(huì)大大減少存儲(chǔ)器質(zhì)量控制工程開(kāi)發(fā)的時(shí)間，并對(duì)實(shí) 際故障有更有效和全面的認(rèn)識(shí)，從而加快存儲(chǔ)器質(zhì)量控制的過(guò)程，尤其在穩(wěn)定質(zhì)量方面，這些就是使用上述測(cè)試帶給你的主要回報(bào)。