介紹一些信號(hào)完整性常用存儲(chǔ)接口的電平標(biāo)準(zhǔn)

介紹一些信號(hào)完整性常用存儲(chǔ)接口的電平標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存在一個(gè)系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于一座橋梁，用以負(fù)責(zé)處理器與諸如硬盤(pán)、主板、顯卡等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。可以說(shuō)內(nèi)存的容量和數(shù)據(jù)吞吐量從很大程度上就決定了一個(gè)系統(tǒng)的性能。今天介紹一些常用的存儲(chǔ)接口的電平標(biāo)準(zhǔn)，包含HSTL、SSTL和POD等等。HSTL電平HSTL（High–speedTransceiverLogic）、SSTL(StubSeriesTerminaterLogic)電平都是應(yīng)用于存儲(chǔ)器接口的單端信號(hào)電平，它們的輸入輸出結(jié)構(gòu)都有很大的相似之處。HSTL電平應(yīng)用于大部分SRAM以及QDR、QDRIISRAM高速存儲(chǔ)器接口，支持工作頻率一般都在200MHz以上。工作電壓HSTL電平的輸出是反相器結(jié)構(gòu)，輸入是差分結(jié)構(gòu)其中一個(gè)輸入端接輸入信號(hào)另一個(gè)在芯片內(nèi)部連接到外部由用戶提供的參考電壓上。HSTL工作需要四個(gè)電壓：1.HSTL芯片的功率供電電壓VDD。VDD電壓并沒(méi)有在JEDEC規(guī)范中明確指出不同的芯片可能會(huì)不同，3.3V、2.5V或者1.8V、1.5V都有可能。2.芯片輸出buffer供電電壓VDDQ，JEDEC規(guī)定了HSTL電平的VDDQ典型值為1.5V這就決定了其輸出電壓的擺幅0~1.5V。接收器buffer的參考電壓VREF。通常情況下VREF電壓為VDDQ/2=0.75V，但是由于HSTL輸出buffer種類的不同、采用端接方式不同，VREF電壓也會(huì)不同。參考電壓VREF作為輸入信號(hào)的判別標(biāo)準(zhǔn)，HSTL電平的VIH的最小值和VIL的最大值都是依據(jù)VREF設(shè)定的，因此VREF電壓對(duì)噪聲要求非常嚴(yán)格一般需要控制在1~2%以內(nèi)。接收端的端接電壓VTT。VTT電壓并非是必須的，對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)芯片內(nèi)部可能已經(jīng)集成了片上端接，對(duì)于地址控制線在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下完全可以只用源端匹配或者直連的方式實(shí)現(xiàn)。HSTL電平的四個(gè)工作電壓HSTL電平的輸入邏輯HSTL的單端輸入邏輯電平定義了AC和DC兩個(gè)值，AC規(guī)范在DC規(guī)范外面100mV。這種定義對(duì)于高增益差分接收器是非常重要的。AC限值表明了接收器必須滿足的時(shí)序規(guī)范電平，即只有信號(hào)的邊沿超過(guò)了AC的限值才會(huì)被認(rèn)為是有效電平。DC電平的意義就在于清晰的定義最終的邏輯狀態(tài)，也就是說(shuō)信號(hào)在維持穩(wěn)定電平時(shí)只有高電平不跌落到VIH(DC)的最小值以下、低電平不超過(guò)VIL(DC)的最大值就能夠保證接收器能夠正確的接收數(shù)據(jù)。HSTL電平單端輸入邏輯VREF電平為參考定義，在對(duì)稱模式下（VREF=0.75V）HSTL電平的高低電平的噪聲余量都能夠達(dá)到0.65V。這就使得我們能夠采用并聯(lián)端接來(lái)解決信號(hào)完整性問(wèn)題，而對(duì)于TTL、CMOS電平在前面第二章將阻抗匹配時(shí)已經(jīng)提到一般不能采用并聯(lián)端接，這也是為什么HSTL電平能夠應(yīng)用于高速存儲(chǔ)器的原因。HSTL電平也支持差分輸入，相比單端信號(hào)需要額外關(guān)注的參數(shù)為差分幅值VDIF(AC)VDIF(DC)、共模噪聲VCM(DC)、以及交叉點(diǎn)的范圍VX如下表所示：HSTL電平差分輸入邏輯HSTL有四類輸出Buffer類型，其主要不同在于輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力以及支持的端接和匹配方式。表3中列出了四類輸出Buffer各自支持的端接、匹配方式。HSTL輸出Buffer及端接方式對(duì)比VREF電平來(lái)說(shuō)，在對(duì)稱的端接時(shí)VREF=VDDQ/2，此時(shí)VTT=VDDQ/2；非對(duì)稱端接中VREF=0.9V，此時(shí)VTT=VDDQ。并聯(lián)端接指的就是末端接上拉電阻到VTT，雙并聯(lián)端接指的是源端和末端都需要上拉電阻到VTT。由上表可以看出：I類輸出buffer驅(qū)動(dòng)電流最小且端接匹配方式最為簡(jiǎn)單，適用于負(fù)載比較輕不需要太大驅(qū)動(dòng)能力的情況；對(duì)于II類輸出Buffer只是在I類的基礎(chǔ)上增大了驅(qū)動(dòng)能力（或者減小了輸出阻抗），此時(shí)接收端信號(hào)如果存在過(guò)沖就可以使用遠(yuǎn)端串聯(lián)匹配；對(duì)于II類輸出Buffer可以使用對(duì)稱并聯(lián)匹配，或者對(duì)稱雙并聯(lián)端接，需要注意的是雙并聯(lián)端接肯定會(huì)降低接收信號(hào)的幅值有可能會(huì)使噪聲余量變小。同時(shí)雙并聯(lián)端接增加了器件個(gè)數(shù)不利于高密單板的設(shè)計(jì)；使用并聯(lián)端接無(wú)疑要增加一個(gè)VTT電源，也可以采用戴維南匹配的方式等價(jià)實(shí)現(xiàn)VTT端接的效果；由于III類輸出Buffer的VTT=VDDQ這就導(dǎo)致其吸電流會(huì)比對(duì)稱端接情況要大，IV類Buffer的雙并聯(lián)端接吸電流相比III類buffer的還要增大一倍；并不是說(shuō)所有的HSTL電平芯片都會(huì)定義四種輸出Buffer類型，最常用的就是I類和II類。下圖為III類buffer的非對(duì)稱并聯(lián)端接和IV類的非對(duì)稱雙并聯(lián)端接示意圖。（左）III類buffer，非對(duì)稱并聯(lián)端接；（右）IV類buffer，非對(duì)稱雙并聯(lián)端接SSTL電平SSTL電平是為了保證存儲(chǔ)器系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)吞吐率而定義的，它的優(yōu)點(diǎn)就是能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載，提供更小的信號(hào)擺幅、更快的信號(hào)邊沿。專門(mén)為高速存儲(chǔ)器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)而制定，特別針對(duì)于單雙沿采樣的SDRAM，如DDRSDRAM、DDR2、DDR3等，支持的工作頻率在333MHz以上，其中DDR3的最高速率已經(jīng)達(dá)到了2133Mbps，更高速率的DDR4也是采用SSTL電平和POD電平。SSTL電平的輸入結(jié)構(gòu)基本上和HSTL相同，也是采用差分輸入結(jié)構(gòu)。差分一端接輸入信號(hào)，另一端需要一個(gè)參考電壓信號(hào)VREF。參考電壓信號(hào)由所有存儲(chǔ)器件和控制器共享，設(shè)計(jì)時(shí)需要保證控制器和存儲(chǔ)器之間的壓差要足夠小，一般噪聲都控制在1~2%范圍內(nèi)。類似HSTL電平，SSTL電平的輸入門(mén)限也定義了AC和DC兩個(gè)值，且都是參考VREF進(jìn)行定義。對(duì)于SSTL電平供電電壓需要和HSTL電平基本相同。標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有指定芯片功率供電電壓VDD一般要求VDDQ要小于VDD。其中VTT是可選項(xiàng)，只是為解決DDR地址控制線的信號(hào)完整性問(wèn)題所準(zhǔn)備；VREF電源可以用分壓電阻對(duì)VDDQ進(jìn)行分壓獲得。在某些不需要使用VTT的情況下可以只用一個(gè)VDDQ電源輸出芯片就可以進(jìn)行DDR、DDR2等存儲(chǔ)器接口的設(shè)計(jì)。上面介紹了SSTL電平的輸入結(jié)構(gòu)、供電電壓等共性的特征。實(shí)際上隨著存儲(chǔ)器的發(fā)展、以及通信系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器容量、數(shù)據(jù)速率要求的越來(lái)越高，JEDEC定義了一系列的SSTL標(biāo)準(zhǔn)，有3.3V、2.5V、1.8V、1.5V甚至很多DDR3芯片都會(huì)兼容1.35V、1.2V的電平。SSTL_3SSTL_2的SSTL標(biāo)準(zhǔn)中也會(huì)分為I類和II類輸出buffer用于驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載。而對(duì)于SSTL_18SSTL_15，JEDEC沒(méi)有在定義不同的輸出類型，但是有些特殊的控制器自身也會(huì)定義不同的輸出阻抗或者驅(qū)動(dòng)電流，例如xilinx的virtex系列的FPGA、TI的DSP處理器，存儲(chǔ)器芯片也會(huì)定義不同的輸出阻抗供用戶選擇，如DDR3都會(huì)定義34ohm、40ohm兩種輸出阻抗。下面對(duì)這幾種類型的SSTL電平分別進(jìn)行介紹。SSTL_3SSTL_3采用3.3V供電，主要應(yīng)用于DDRSDRAM存儲(chǔ)器，其速率一般限制在333MHz以內(nèi)。其VREF為1.5V（或者0.45*VDDQ）、VTT=VREF。在典型應(yīng)用中，在1.5V±200mV建立DC輸入門(mén)限，在1.5V±400mV建立AC輸入門(mén)限。SSTL_3電平單端輸入邏輯SSTL_3理想情況下，高電平噪聲余量1.6V、低電平噪聲余量為1.3V，都要比3.3V電平的LVTTL/LVCMOS電平大了很多，使得SSTL_3能夠應(yīng)用于DDRSDRAM等存儲(chǔ)器中。SSTL_3的輸出Buffer按照驅(qū)動(dòng)電流的不同分為I類和II類兩類。I類輸出源電流和吸電流分別為±8mA，而II類的源電流和吸電流分別為±16mA。兩種類型的輸出Buffer對(duì)應(yīng)了不同的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，當(dāng)負(fù)載比較小時(shí)可以使用I類輸出buffer并采用直連或者源端串聯(lián)匹配的方式，當(dāng)負(fù)載比較重時(shí)需要考慮末端VTT并聯(lián)端接。SSTL_2SSTL_2和SSTL_3類似主要有兩點(diǎn)區(qū)別。VDDQ減小為2.5V，響應(yīng)的VREF、VTT電平也都減小為0.5*VDDQ。另一不同就是SSTL_2可以支持差分輸入和輸出，能夠應(yīng)用于更高速率的DDR2存儲(chǔ)器，而SSTL_3電平只支持單端輸入輸出。SSTL_2電平的單端AC和DC輸入邏輯電平如下表所示：SSTL_2電平的單端AC和DC輸入邏輯VDDQ電平的降低使SSTL_2的高低電平噪聲余量都有所降低，在一定程度上提高了對(duì)信號(hào)完整性的要求。DDR2存儲(chǔ)器中都設(shè)置ODT（ondieterminate），即存儲(chǔ)器芯片上的并聯(lián)端接，端接阻值有50、75、150ohm三種類型，用戶可以在MR（moderegister）寄存器中進(jìn)行設(shè)置，DDR2接收buffer內(nèi)部的ODT電路結(jié)構(gòu)如下：DDR2內(nèi)部的ODT電路結(jié)構(gòu)圖DDR2存儲(chǔ)器定義了ODT管腳，配合MR寄存器來(lái)控制SW1、SW2、SW3三組開(kāi)關(guān)的通斷。當(dāng)ODT信號(hào)電平為高時(shí)使能ODT功能，具體使用何種阻值的ODT需要通過(guò)MR寄存器進(jìn)行設(shè)置。工程師可以根據(jù)阻抗匹配情況、SI仿真結(jié)果進(jìn)行選擇。SSTL_2電平差分輸入邏輯SSTL_2的輸出Buffer兩種類型和SSTL_3類似。源電流和吸電流的最小值差別很小，I類±8.1mA，II類±16.2mA，用于驅(qū)動(dòng)不同類型的負(fù)載。SSTL_18和SSTL_15為了解決存儲(chǔ)器速率不斷提高功耗不斷降低帶來(lái)的挑戰(zhàn)，SSTL電平引入了SSTL_18SSTL_15甚至更低電平的標(biāo)準(zhǔn)。SSTL_18SSTL_15規(guī)范的定義和SSTL_2非常類似，主要的區(qū)別就在于輸入輸出接口的供電電壓有2.5V降低到1.8V和1.5V，由此而引起的VREF、VTT以及AC和DC輸入門(mén)限的變化。SSTL_18電平的單端AC和DC輸入邏輯而SSTL_15電平不僅參考VREF定義了±100mV的DC輸入門(mén)限，而且還根據(jù)速率等級(jí)的不同定義了多個(gè)AC輸入門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于地址控制、命令信號(hào)速率在800Mbps到1600Mbps定義了AC150和AC175兩種輸入門(mén)限VREF±150mV、VREF±175mV，當(dāng)速率超過(guò)1600Mbps后則定義了AC125和AC135兩種輸入電平門(mén)限VREF±125mV、VREF±135mV；對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)速率在800Mbps1066Mbps時(shí)使用AC150和AC175門(mén)限VREF±175mV，1333Mbps1600Mbps時(shí)使用AC150門(mén)限VREF±150mV，當(dāng)速率在1866Mbps~2133Mbps是使用AC135門(mén)限VREF±135mV，詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)下表。SSTL_15電平的單端AC和DC輸入邏輯之所以如此定義SSTL_15的AC和DC門(mén)限，有些工程師可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：這樣豈不是說(shuō)AC135的門(mén)限要求就比AC175的門(mén)限要求更寬松呢？實(shí)際上并不是這樣，而是要結(jié)合了建立保持時(shí)間的要求來(lái)看。也就是說(shuō)AC175、AC150、AC135、AC125這些門(mén)限的定義都對(duì)應(yīng)著不同的建立保持時(shí)間要求。表XX所描述的就是DDR3芯片的建立、保持時(shí)間要求。其中Base（specification）表示以AC175、AC150等AC門(mén)限為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的建立時(shí)間tDS要求，而VREF@1V/ns表示1V/ns的slewrate情況下以VREF為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的建立時(shí)間、保持時(shí)間要求。DDR3建立保持時(shí)間要求對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)的建立時(shí)間tDS的測(cè)量是測(cè)量VIL(AC)、VIH(AC)到DQS和DQS#的交叉點(diǎn)的延時(shí)，而保持時(shí)間tDH是測(cè)量從DQS和DQS#的交叉點(diǎn)到VIL(DC)、VIH(DC)的延時(shí)?；谶@種對(duì)建立保持時(shí)間的測(cè)量方法，我們可以得到DDR3眼圖的一般測(cè)量方法。以VIL(AC)、VIH(AC)和高低電平起始的最后一個(gè)交點(diǎn)做垂直于時(shí)間軸的直線，以VIL(DC)、VIH(DC)和高低電平結(jié)束的第一個(gè)交點(diǎn)做垂直于時(shí)間軸的第二條直線。第一條直線和VIL(AC)、VIH(AC)的兩個(gè)交點(diǎn)以及第二條直線和VIL(DC)、VIH(DC)的兩個(gè)交點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)梯形，我們便可以以此梯形為基準(zhǔn)來(lái)描述眼圖的眼寬和噪聲裕量。DDR3數(shù)據(jù)信號(hào)建立保持時(shí)間的測(cè)量同樣對(duì)于差分輸入電平SSTL_15除了對(duì)單端信號(hào)的邏輯定義外也對(duì)差分邏輯、以及單端信號(hào)的交叉點(diǎn)范圍進(jìn)行了定義，如下表所示。SSTL_15電平差分輸入邏輯DDR4的電平標(biāo)準(zhǔn)前面花了很長(zhǎng)時(shí)間介紹了HSTL和SSTL電平，但我想大家應(yīng)該都很清楚，目前在市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的內(nèi)存是DDR4。為什么畫(huà)這么多的篇幅來(lái)講已經(jīng)過(guò)時(shí)的東西呢？其實(shí)就是想讓大家盡量了解存儲(chǔ)器電平發(fā)展的來(lái)龍去脈。通過(guò)前面的介紹我們大體可以知道，電平接口的發(fā)展要解決的兩個(gè)主要問(wèn)題：（1）速率的提升，以達(dá)到足夠高的吞吐量，滿足CPU和外設(shè)直接的高速數(shù)據(jù)交換和處理；（2）功耗的降低，不斷的降低接口的IO電壓來(lái)達(dá)到更低的功耗要求。那么DDR4在這兩方面又有什么樣的改進(jìn)呢？DDR4將速率提升到1.6—3.2Gbps，并為進(jìn)一步降低功耗DDR4的數(shù)據(jù)信號(hào)采用了新的電平標(biāo)準(zhǔn)POD-12，地址控制信號(hào)仍然是SSTL電平，只不過(guò)電壓降低到了1.2V。下面我們來(lái)看一下什么是POD電平，它和SSTL電平到底有什么不同。POD電平POD是PseudoOpenDrain的縮寫(xiě)，字面理解就是“偽開(kāi)漏極”電平。那為什么是“偽開(kāi)漏極”呢？讓我們看一下它的結(jié)構(gòu)。（左）SSTL電平（右）POD電平如上圖所示，可以看出POD電平的輸出電路和SSTL電平并沒(méi)有差別，差別僅僅在于POD和SSTL電平的所采用的終端端接方式（ODT）和Vref不同。SSTL電平的Vref是固定值0.5倍的VDD，終端采用標(biāo)準(zhǔn)的戴維南端接；而POD電平的Vref是芯片內(nèi)部確定，外部的端接只用一個(gè)上拉電阻。首先，我們先看Vref。理想的Vref位置應(yīng)該位于數(shù)據(jù)眼圖的中央，即Vref=Vmid=0.5*（Vhigh+Vlow）。對(duì)于DDR4的數(shù)據(jù)信號(hào)理想的Vref位置示意如下：然而在實(shí)際中，由于驅(qū)動(dòng)器、傳輸通道以及ODT的非理性特性，眼圖的中央位置很難計(jì)算出來(lái)。每個(gè)DQ信號(hào)的驅(qū)動(dòng)、傳輸通道、和ODT都會(huì)有偏差，所以每個(gè)DQ的Vref都可能各不相同。因此，需要一種自適應(yīng)的training機(jī)制來(lái)尋求最優(yōu)的Vref。這種自適應(yīng)的training機(jī)制為DDR4的DQ信號(hào)在更低的電平下獲得足夠的噪聲余量提供了有利條件。同時(shí)對(duì)比SSTL和POD電平，我們可以發(fā)現(xiàn)：POD電平只有在低電平時(shí)才會(huì)有功耗，高電平由于Tx和Rx是等電位的幾乎沒(méi)有電流因此功耗幾乎為零。這就是POD電平的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，使得DQ信號(hào)的功耗幾乎降低了50%。DDR4和與DDR3的比較DDR4相比DDR3還有一些其它方面的改進(jìn)，在這里也做一些簡(jiǎn)單的介紹。DBI_N為了進(jìn)一步降低功耗，DDR4定義了一個(gè)新的管腳DBI_N。DBI是databusinversion的縮寫(xiě)。目的在于平衡DQ信號(hào)中的0和1的數(shù)量。如上所示，當(dāng)DQ信號(hào)中0的數(shù)量超過(guò)1的數(shù)量時(shí)，DBI_N信號(hào)拉低，讓DQ信號(hào)的bit翻轉(zhuǎn)，這樣只有打開(kāi)DBI功能DQ信號(hào)中0的數(shù)量總是比1的數(shù)量少。這就意味著更低的功耗和更好的SSN性能。DBI功能也有自身的缺點(diǎn)，因?yàn)镸emory接收數(shù)據(jù)需要對(duì)DBI進(jìn)行翻譯，需要額外的延時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量稍有影響。ACT_NDDR4相比之前的DDR3，除了速率的提升、電壓的降低，存儲(chǔ)容量也有了很大的提升。理論上存儲(chǔ)容量的提升就需要更低的地址信號(hào)來(lái)尋址。為此，DDR4引入了ACT_N信號(hào)，用來(lái)指明activate命令，拓展行地址，來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的容量。如下所示，當(dāng)ACT_N為低電平時(shí)，RAS、CAS、WE為地址信號(hào)。DDR4的校驗(yàn)機(jī)