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信号完整性的价值:存储器接口设计

2018年02月08日 20:04 次阅读

存储器和其它组件之间的问题通常存在于这些器件之间的接口上,这些系统级的问题有时候是难以觉察的。本文详述了一种能够很容易地识别和解决这些出现在存储器接口上问题的测试工具,从而使你的设计更为鲁棒。

过去,设计工程师已在新系统的设计中采用信号完整性(SI)测试并用于稳定产品质量。尽管SI在工程阶段非常有价值,但它并非万能药,随着产品设计不断深化,其价值实际上会变得越来越小,并且要用温度及电压边际测试(margin tesTIng)来补充或替代SI测试以稳定产品质量。

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表1: 存储器设计、测试及验证工具。

正确选择存储器设计、测量和验证的工具将减少工程时间并增加检测潜在问题的可能性。表1是5个用于存储器设计的重要工具的简 短描述,由于本文将重点放在用于确认设计的功能性及鲁棒性的工具上,这一列表并未完全列出所有的存储器设计工具,表2说明了在什么时候采用这些工具最为有 效。

产品开发的5个阶段

调试实验室没有逻辑分析仪对设计和调试是不可思议的,然而,鉴于对成本和时间的考虑,逻辑分析仪很少成为检测系统内故障或问题的首选工具,它们却常用来调试由兼容性或4-角测试(4-corner)所检测到的问题。产品开发包括5个阶段:

阶段1-设计

要在硬件设计中实现一个概念或思想,由于没有现成的原型,只可采用仿真工具,因此,设计工程师只能依靠电及行为仿真工具来进行设计。

阶段2-阿尔法原型

阿尔法原型是最初或较早的原型,它可能会在生产(BIOS、功能性等)前就经过多次改变。

设计工程师必须在阿尔法原型上进行足够的测试以确保下一个原型,至少从硬件角度讲,将接近生产就绪状态。就这一点而言,可靠的工具将至关重要。

首先要采用的工具是启动和软件检验,由此可得出有价值的信息,这些信息与基本软件检验相结合,从而指出需要加以改变的数据,由于基本硬件改变尚有可能,彻底的软件检验或许尚不可行。

2.gif

表2:验证与设计阶段相对的存储器功能性的工具。

在这个阶段SI测试起着重要作用,它捕获线路板上线迹的模拟信号,这些捕获可与仿真或器件规格进行比较来确定这一器件是否符合规格及有充足的时序裕量,否则,就必须对器件加以改进。

然而,有一种在这个阶段不应使用的工具是边际测试,该测试只能在硬件完成后采用。在运行相应的测试后,设计工程师要进行一系列设计变更,包括可能要通过电或行为的仿真来确保设计达到所需的效果。

阶段3-贝塔原型

在最后阶段(贝塔原型),硬件接近成品状态, 仅有一些很小的问题出现,组合测试可以确保系统处于生产就绪状态,软件或兼容性的测试必须彻底,这一测试可单独执行或与边际测试结合在一起执行,边际测试 的涵盖范围应当是广泛的。不同的温度与其极限电压电平对识别这些问题及边际时有价值,这一组合应捕获可能出现的存储器故障。

在这一阶段SI测试的作用有限,但它可用于调试功能性的故障或确认在阿尔法原型阶段所进行的改变。SI测试不应用于验证来自未被改变的阿尔法原型的信号或网络。假如在贝塔原型阶段有任何补充性的修改,则有必要通过电和/或行为仿真或SI对这些修改进行确认。

阶段4-生产

在生产阶段很少对系统进行改变,这一阶段的重点在于稳定产品质量,系统的生产或许需要几个月甚至几年,这一生产或许要用到数百或数千个元件,公司有一套稳定产品质量的程序显得尤为重要。

在系统进入生产阶段后对元件上进行一系列的质量测试,可以确保足够的元件供应以使生产不致中断。在生产阶段,极少对母板的线 迹和布局加以改变,由于SI测试已用于确认那些改变,在这一阶段,SI测试不再必要。此外,SI测试不能捕获以往由系统/存储器相关的问题所造成的故障, 首选的工具及稳定产品质量的关键是兼容性及边际测试。

阶段5-后期制作

像MP3播放器或DVD录音机这样的系统在生产后段没有稳定产品质量的要求,然而,其它的系统可能有存储器升级或支持的要求,这一点在笔记本电脑、移动PC及其它器件中尤为常见,而且在生产后段的数年都很重要,边际测试及兼容性测试成为稳定产品质量的关键。

11.gif

图1:从示波器所获得的典型的信号完整性问题。

信号完整性测试

电子设计工程师喜欢使用示波器观察电路设计并评估信号。图1显示了一个典型的SI捕获,在这一实例中,目标照片表明信号来自单个DDR同步动态随机存取存储器(SDRAM)组件:地址组1、片选择信号及不同的系统时钟。

SI测试过程用系统信号的示波器光图来评估电压随时间的变化,这些光图或“捕获”通过视觉来评价违规状态,这种方法因对工程专家的水平提出高的要求,因而是一个耗时的过程。

如图1所示的SI测试图能够反映出振铃、上冲/下冲和时钟冲突(斜率、建立/保持时间、总线争用等),假如上述状况中有任何一种出现,通过兼容性及边际测试都能轻易发现系统故障,在这些问题被发现后,其它的工具(逻辑分析仪、SI测试等)能够确定故障的原因。

SI分析的局限性

SI分析正变得越来越困难并且消耗时间,在像FBGA封装这样的情况下,几乎不可能进行SI分析,原因何在?除非探测点被增加到设计当中,在FBGA封装中是不可能探测到信号的。

在多芯片模组(MCM)封装中,将各种不同的芯片组合在一个封装内,这些封装既可用铸模化合物也可用密闭的方法加以保护,并且封装内的信号无法被探测到。

采用探测器来测量SI会改变正在被测量的信号,由于增加电容会引入一些问题,或造成SI变化消失。尽管可采用有源或场效应晶体管(FET)探测器,这种状况由于频率升高变得越来越普遍,尤其在具有点对点结构的系统中。

对于存储器质量或稳定产品质量而言,SI测试有其局限性,Micron公司已在存储器的多种内部质量测试时采用成百上千种SI示波器捕获分析,得出如下结论:

* 在开发的初期采用SI测试能够捕获故障及识别重大错误。

* SI测试用于验证板的改变。

* 板设计完成后,SI测试尚有一点价值。

22.gif

图2:随电压和温度变化而变化的器件规格的实例。

Micron公司的内部测试流已脱离SI测试,它由以下几点组成:

* 兼容性及边际测试用于确认或测试具有存储器的系统。

* 在兼容性及边际测试检测到错误后,不同的诊断工具用于隔离这一故障。

* 假如软件确定了系统中的故障类型(地址、行、单个单元等),存储器芯片或模块被隔离并被测试,然后我们会尝试在存储器测试夹具中复制这一故障状态。

* 如果软件不能提供有关故障的详细资料,可将存储器从系统中移开,然后进行组件或模块测试来发现故障。

* 逻辑分析仪可用于确定故障问题/类型及违规情况。

尽管可采用示波器,经验表明在迅速测量、确认和调试系统方面,其它的工具会更有效。我们相信这些替代工具使设计工程师能够迅速地实现故障分析和排除。

Micron公司的自我质量控制流程得到如下结论:

* 定期的兼容性测试及边际测试会暴露一些系统中出现的问题或困难。

* SI不能发现存储器或系统级诊断所不能识别的任何问题,SI发现的是与其它测试所发现的相同的故障,因此重复了边际测试及软件测试的性能。

* SI测试很耗时,探测64位数据总线及俘获目标示波器屏幕图会消耗时间。

* SI采用昂贵的设备(示波器和探测器)

* 因需要高级工程师分析来评估目标信号的图片,故而SI占用了宝贵的工程资源。

* SI测试不能发现所有的故障,兼容性及边际测试能够发现SI测试所不能检测到的错误。

SI测试的替代方法

SI测试的替代方法被用于系统开发、存储器质量控制和测试,本节将简要叙述这些工具及其使用方法。

计算机系统极适于软件测试,因为计算机能够利用现成软件,所以可使用多种存储器诊断工具。当选择软件工具时,应关注那些支持强大升级功能的工具,并选择可与新的诊断工具相结合的程序,诊断工具用来捕获以前所未知的故障机制。

与PC不同,其它产品如消费电子、嵌入式及网络产品的测试更加困难。针对这些应用类型,设计工程师开发专用工具或根本不使用 这些工具,编制更为鲁棒的专用工具能获得比SI测试更多的益处。值得注意的是:有时候在系统中不可能进行与存储器规格有关的测试(如MPEG解码或网络数 据包传输),在这些情况下,就应采用其它工具。

边际测试

边际测试强迫系统暴露边际问题,有两类边际测试尤其重要:电压及温度的强化测试。这两类强化测试重点在于使DRAM和DRAM控制器暴露到可能显示系统问题的状态,图2以实例说明系统规格如何随温度变化。

作为典型的边际测试,4角测试已被证明为测试存储器的最有效的方法之一,就测试时间和所需的资源而言,这种测试也是可行的。对于一个具有最小和最大电压及温度分别为3.0V 和 3.6V 及0°C和70°C的系统而言,这四个角是:

*角1

* 最大电压,最高温度:3V,70°C

* 角2

* 最大电压,最低温度:3.6V,0°C

* 角2

* 最小电压,最高温度:3.0V,70°C

* 角4

* 最小电压,最低温度:3.0V,0°C

尽管方法不同,但通常的程序是让系统在某个温度和电压保持稳定,然后在这一角进行一系列的测试,如果出现故障,应对此加以分 析。另外一种是2角测试,输入到存储器的电压可能由电压调节器控制,因此无法调节输入到DRAM的电压,在这种情况下,可采用最大和最小温度测试或两角测 试。

功率周期测试

功率周期强化测试反复开关(重启)系统,测试包括冷启动和热启动测试。系统由未被运行状态到进入环境温度下的运行状态的过程 称为冷启动,当系统运行了一段时间且内部温度稳定时进行的启动为热启动。在启动或上电时,在可能出现错误的地方会发生独立的事件,包括电源供应电压的升高 及存储器的初始化,间歇性的问题只可通过反复启动被检测到。

自动刷新测试

DRAM单元漏电且必须被刷新以便正常操作,要节省耗电,自动刷新应在存储器处于非读写状态时进行。当进入和退出自动刷新功 能时,存储器控制器会提供正确的命令;否则会丢失数据。与功率周期类似,自动刷新周期非常有用。如果出现某种间歇性的自动刷新进入或退出问题,重复这一周 期有助于检测到这些问题。不采用自动刷新的应用应避免这种测试。

本文小结

存储器及其它组件间接口中的系统级问题可能是细微且难以觉察的,在适当的时间采用正确的工具可使设计工程师很容易地识别出潜 在的问题并增加设计的鲁棒性。重新评估边际测试和兼容性测试,尤其是在内存质量控制或确认过程中的作用,会大大减少存储器质量控制工程开发的时间,并对实 际故障有更有效和全面的认识,从而加快存储器质量控制的过程,尤其在稳定质量方面,这些就是使用上述测试带给你的主要回报。

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发表于 2018-02-02 09:55 2525次阅读
一种非线性宏单元模式存储器应用案例

嵌入式存储器的主要设计标准分析及IP选用指南

在传统的大规模ASIC和SoC设计中,芯片的物理空间大致可分为用于新的定制逻辑、用于可复用逻辑(第三...

发表于 2018-02-02 05:31 196次阅读
嵌入式存储器的主要设计标准分析及IP选用指南

选择合适的存储器组合能确保汽车的可靠和安全操作

通过选择合适的存储器组合,工程师能够确保汽车的可靠和安全操作,同时还能满足驾驶员对汽车响应能力的期望...

发表于 2018-02-01 11:31 1826次阅读
选择合适的存储器组合能确保汽车的可靠和安全操作

中国计划增产存储器 三星优势将被削弱

因2017年存储器领域遭遇大幅度的内存不足,飚价过高,三星等存储器巨头借此赚的钵满盆盈。今年中国厂商...

发表于 2018-02-01 09:37 152次阅读
中国计划增产存储器 三星优势将被削弱

2017年旺宏以在NOR型快闪存储器的市占率约3...

旺宏昨日召开财报会表示,2017年在NOR型快闪存储器的市占率约30%,为全球霸主。另外,小于75纳...

发表于 2018-02-01 05:34 181次阅读
2017年旺宏以在NOR型快闪存储器的市占率约3...

顶不开三星这块绊脚石,中国半导体就难言崛起

在2000亿美元营收的规模,仍然不见这个级别公司普遍存在的大企业病。高效地执行、全面地布局,与其他公...

发表于 2018-01-31 17:07 1196次阅读
顶不开三星这块绊脚石,中国半导体就难言崛起

汽车电子系统中非易失性存储器的选择及要求

汽车系统的设计变得越来越复杂,因为要不断的加入新的功能,如高级驾驶辅助,图形仪表,车身控制和车辆信息...

发表于 2018-01-31 15:11 150次阅读
汽车电子系统中非易失性存储器的选择及要求

avr单片机选型指南

AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略,即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高...

发表于 2018-01-29 10:23 172次阅读
avr单片机选型指南

为什么你的手机实际内存比标称内存要少很多

现在市面上存在NAND FLASH和eMMC这两种的大容量存储介质,就是各类移动终端及手机的主要存储...

发表于 2018-01-29 07:40 595次阅读
为什么你的手机实际内存比标称内存要少很多

基于PLC基础知识的详细解析

可编程逻辑控制器,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与...

发表于 2018-01-27 22:59 1392次阅读
基于PLC基础知识的详细解析

存储器降价了,产业的繁荣是否到此为止?

发表于 2018-01-27 19:41 387次阅读
存储器降价了,产业的繁荣是否到此为止?

PLC呈现反常报警,8种常见错误类型解析

各种品牌PLC都具有自我诊断功能,但PLC修理的技巧在于,充分运用该功能进行分析,然后精确寻找问题所...

发表于 2018-01-27 09:48 2257次阅读
PLC呈现反常报警,8种常见错误类型解析

全球首个柔性系统级芯片(SoC)是其它柔性器件的...

据报道,AFRL和美国半导体公司利用3D打印领域的创新共同研发出全球首个柔性系统级芯片(SoC),这...

发表于 2018-01-26 09:55 278次阅读
全球首个柔性系统级芯片(SoC)是其它柔性器件的...

DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

DSP为提高数字计算效率,牺牲了存储器管理的方便性,对多任务的支持要差的多,所以DSP不适合于作多任...

发表于 2018-01-25 09:02 1584次阅读
DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

升级Ballistix存储器以增加多工游戏效能

随著游戏技术进步,对存储器的需求也更加严苛,但是现在很多的游戏都会出现延迟问题,我们知道延迟往往归因...

发表于 2018-01-25 08:48 181次阅读
升级Ballistix存储器以增加多工游戏效能

创芯聚变 ICTechSummit2018在上海...

2018年1月21日,由IC咖啡主办的ICTechSummit2018在上海长荣桂冠酒店盛大开幕,I...

发表于 2018-01-24 11:21 2034次阅读
创芯聚变 ICTechSummit2018在上海...

斯坦福大学开发了单晶体管单阻变存储器单元 可抑制...

斯坦福研究人员开发的芯片被称为“单晶体管单阻变存储器”(1T1R)单元。这种1T1R存储单元相对于含...

发表于 2018-01-23 17:23 1235次阅读
斯坦福大学开发了单晶体管单阻变存储器单元 可抑制...

大陆存储器产业崛起 专利问题或成发展阻碍

017年存储器市场经历了一场大规模的涨价模式,内存出现了供需不平衡的状态,大部分主导权主要集中在韩国...

发表于 2018-01-22 17:08 290次阅读
大陆存储器产业崛起 专利问题或成发展阻碍

基于存储器件掉电丢数据的2种解决方法以及法拉电容...

Nand-Flash/eMMC(带有Flash控制器的Nand-Flash)作为一种非线性宏单元模式...

发表于 2018-01-22 14:04 1370次阅读
基于存储器件掉电丢数据的2种解决方法以及法拉电容...

STM32F407总线存储框架及应用设计

在使用过程中发现DMA1无法把GPIO的IDR数据传输到内存,调试过程中出现DMA1的数据流传输错误...

发表于 2018-01-22 09:22 2429次阅读
STM32F407总线存储框架及应用设计

自主研发第二代产品,M2会议平板将呈现出五大改变

M2会议平板新增加密功能。在会议平板上书写的文字内容可以生成二维码,扫码后加密分享,既能实时保存会议...

发表于 2018-01-18 21:48 161次阅读
自主研发第二代产品,M2会议平板将呈现出五大改变

中国存储器产业已掀起“巨浪” 武汉存储产业实力隐...

据报道,长江存储的研发节奏正在逐步推进,中国存储产业开始上演第二梯队大逆袭的大剧目。武汉存储产业隐现...

发表于 2018-01-18 16:08 287次阅读
中国存储器产业已掀起“巨浪” 武汉存储产业实力隐...

PLC控制柜的组成和使用条件以及基本结构特点

PLC控制柜可完成设备自动化和过程自动化控制,实现完美的网络功能,性能稳定、可扩展、抗干扰强等特点,...

发表于 2018-01-18 10:17 643次阅读
PLC控制柜的组成和使用条件以及基本结构特点

蓝牙技术实现半双工语音通信低能耗的方法都在这里

低能耗蓝牙被业界广泛认为是实现物联网(IoT)应用愿景的关键技术。事实上,极低的功耗使其成为电池供电...

发表于 2018-01-18 07:17 1397次阅读
蓝牙技术实现半双工语音通信低能耗的方法都在这里

Gartner以存储器市况优异为由,预估今年增幅...

Gartner首席研究分析师Ben Lee 15日以存储器市况优异为由,将2018年全球半导体销售额...

发表于 2018-01-16 12:09 129次阅读
Gartner以存储器市况优异为由,预估今年增幅...

反相输入比例运算电路

发表于 2018-01-16 10:52 578次阅读
反相输入比例运算电路

一款基于法拉电容的UPS电路设计思路

您是否有遇到使用中的程序无故丢失?产品调试非常稳定,布置到现场后频繁系统崩溃和数据遗失,亦或产品应用...

发表于 2018-01-15 09:06 2203次阅读
一款基于法拉电容的UPS电路设计思路

未来五年,模拟芯片高居集成电路各细分市场增速榜首...

根据TechSugar引用市场调研机构IC Insights最新预测,未来五年,模拟芯片高居集成电路...

发表于 2018-01-13 10:05 1966次阅读
未来五年,模拟芯片高居集成电路各细分市场增速榜首...

设计和调试高速存储器接口的高效设计流程模型介绍

许多 FPGA 设计都采用高速存储器接口,可能调试比较困难,不过只要采用正确的方法就能成功进行调试。...

发表于 2018-01-12 11:48 157次阅读
设计和调试高速存储器接口的高效设计流程模型介绍

计算机健检要诀 轻松升级存储器 重塑高效能计算机

即便没有一个正式的统计报告可显示职场中使用计算机的工作人员百分比,仍可从物联网、大数据与云端运算的蓬...

发表于 2018-01-10 12:43 138次阅读
计算机健检要诀 轻松升级存储器 重塑高效能计算机

全球半导体格局大变迁 存储器销售额占比全球第一

2017-2020年,全球半导体第四次硅含量提升周期, 人工智能AI、物联网、5G、智能驾驶等新应用...

发表于 2018-01-10 10:59 1608次阅读
全球半导体格局大变迁 存储器销售额占比全球第一

要实现自动驾驶必须把存储器加入到自动驾驶的整体和...

要实现自动驾驶,“四管齐下”应该改为“五管齐下”,把存储器加入到自动驾驶的整体和集成体系中。

发表于 2018-01-10 10:25 1022次阅读
要实现自动驾驶必须把存储器加入到自动驾驶的整体和...

帮你站在高处,重新理解测试测量,是德科技启动KE...

是德科技启动KEE计划,打造测量圈的大师级云课堂,帮你站在高处,重新理解测试测量.研发Fellow、...

发表于 2018-01-09 13:53 3223次阅读
帮你站在高处,重新理解测试测量,是德科技启动KE...

高速电路设计和信号完整性的知识分享

1、信号完整性(Signal Integrity):就是指电路系统中信号的质量,如果在要求的时间内,...

发表于 2018-01-08 17:26 1701次阅读
高速电路设计和信号完整性的知识分享

初学者必看,详解硬件电路设计过程与电源电路解析

献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝,离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板...

发表于 2018-01-07 10:10 4654次阅读
初学者必看,详解硬件电路设计过程与电源电路解析

FPGA NIOS系统下的DMA存储器到外设的数据传输关闭不了avs_read_n请求

发表于 2018-01-05 15:35 452次阅读
FPGA NIOS系统下的DMA存储器到外设的数据传输关闭不了avs_read_n请求

【大陆自主研发】SD Nand封装厂,隆重上线前方高能

发表于 2017-12-30 09:30 294次阅读
【大陆自主研发】SD Nand封装厂,隆重上线前方高能

负反馈放大电路

发表于 2017-12-22 19:29 643次阅读
负反馈放大电路

【连载笔记】信号完整性-电源分布系统PDS和回路电感

发表于 2017-12-18 08:45 428次阅读
【连载笔记】信号完整性-电源分布系统PDS和回路电感

【连载笔记】信号完整性-电感的物理基础

发表于 2017-12-11 08:49 457次阅读
【连载笔记】信号完整性-电感的物理基础

【连载笔记】信号完整性-EMI与频域、正弦波、带宽与上升时间

发表于 2017-12-01 09:55 413次阅读
【连载笔记】信号完整性-EMI与频域、正弦波、带宽与上升时间

【连载笔记】信号完整性-小记

发表于 2017-11-29 08:46 396次阅读
【连载笔记】信号完整性-小记