DDR1的“读”和“写”眼图分析

DDR1&2&3的“读”和“写”眼图分析

来源：安捷伦科技有限公司 作者：孙灯亮 时间：2008-05-14 发布人:林逸

DDR 1&2&3总线概览

DDR全名为Double Data Rate SDRAM ，简称为DDR。现在DDR技术已经发展到了DDR 3，理论上速度可以支持到1600MT/s。DDR总线走线数量多，速度快，操作复杂，探测困难，给测试和分析带来了巨大的挑战。 DDR 本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度，它允许在时钟的上升沿和下降沿读出数据，因而其速度是标准SDRAM的两倍。至于地址与控制信号则与传统SDRAM相同，仍在时钟上升沿进行数据判断。 目前，许多计算机使用时钟频率为533MHz的DDR2内存,更先进的DDR2内存正在日益普及，它的时钟频率在400 MHz-800 MHz之间，新的DDR3内存的时钟频率则可以工作在800MHz-16OOMHz之间。DDR3内存芯片还有另外一个长处：更低的能耗，它的运行电压是1.5伏，低于DDR2内存芯片的1.8伏和DDR1内存芯片的2.5伏。在使用电池的设备中能够延长电池续航时间，因为能耗低，产生的热量也就少，从而对冷却的要求也就低一些。 DDR 2&3几个新增特性的含义是：ODT（ On Die Termination）,DDR1 匹配放在主板上，DDR2&3把匹配直接设计到DRAM芯片内部，用来改善信号品质。OCD(Off Chip Driver)是加强上下拉驱动的控制功能，通过减小DQS与/DQS(DQS是数据Strobe，源同步时钟，数据的1和0由DQS作为时钟来判断) Skew(时滞)来增加信号的时序容限（Timing Margin）。Posted CAS是提高总线利用率的一种方法。AL（Additive Latency）技术是相对于外部CAS，内部CAS执行一定的延时。

图1：DDR总线的体系结构

图1是DDR总线的体系结构。其中DQS是源同步时钟，在接收端使用DQS来读出相应的数据DQ，上升沿和下降沿都有效。DDR1总线，DQS是单端信号，而DDR2&3, DQS则是差分信号。DQS和DQ都是三态信号，在PCB走线上双向传输，读操作时，DQS信号的边沿在时序上与DQ的信号边沿处对齐，而写操作时，DQS信号的边沿在时序上与DQ信号的中心处对齐，参考图2，这就给测试验证带来了巨大的挑战：把“读”信号与“写”信号分开是非常困难的！

图2：DDR总线“读”“写”操作时序

图2中，Addr/Cmd Bus意思是地址/命令总线，都是时钟的上升沿有效，其中命令由：/CS(片选)，/RAS, /CAS,/WE（写使能）决定，比如：“读”命令为：LHLH，“写”命令为：LHLL等。操作命令很多，主要是NOP（空

超作），Active（激活）,Write，Read，Precharge (Bank关闭)，Auto Refresh或Self Refresh（自动刷新或自刷新）等（细节请参考：Jedec规范JESD79）。Data Bus是数据总线，由DQS的上升沿和下降沿判断数据DQ的0与1。

DDR 1&2&3总线的信号完整性测试

DDR总线PCB走线多，速度快，操作时序复杂，很容易出现失效问题，为此我们经常用示波器进行DDR总线的信号完整性测试和分析，通常的测试内容包括：

1，命令信号的波形和时序参数：需要测试/RAS，/CAS，/WE，/CS的信号品质，如Vmax（最大电压值），Vmin（最小电压值），Slew Rate（斜率），Ringback(回沟)等；还需要测试相对于时钟边沿的Setup Time（建立时间）和Hold Time（保持时间）。测试相对于时钟边沿的建立时间和保持时间时，需要注意参考电平的位置和最差情况波形的捕获。如图3的/CS建立时间和保持时间的测试就没有测试出最差的建立时间和保持时间值，为此，我们需要用眼图累积的方式设法找到最差情况下的建立时间和保持时间。

图3：/CS信号的建立时间和保持时间测试

2，地址信号的波形和时序参数：测试内容和测试方法类似于命令信号的测试，包括信号品质和相对于时钟边沿的建立时间和保持时间的测试。

3，时钟信号的波形和抖动参数：测试建议用差分探头。波形参数包括overshoot（过冲），undershoot（下冲），Slew Rate（斜率）或Rise Time（上升时间）和Fall Time（下降时间），高低时间和Duty Cycle（占空比失真）等。时钟抖动一般只是测试Cycle-Cycle Jitter（周期到周期抖动），但是当速率超过533MT/s的DDR2&3时，则测试内容相当多，不可忽略，下表1是DDR2 667的规范参数。这些抖动参数的测试需要用专用软件实现，比如Agilent的N5413A DDR2时钟表征工具。

表1：DDR 2 667 时钟抖动测试参数（参考Jedec规范）

4，速据信号的波形和时序参数：DQS（源同步时钟）和DQ（数据）波形参数与命令地址测试类似，测试起来比较简单，但是探测却比较复杂和困难。DDR1，DQS是单端信号，可以用单端探头测试，DDR2&3 DQS则是差分信号，建议用差分探头测试，减小探测难度。DQS和DQ的时序关系，即相对的在不同操作条件下的建立时间和保持时间关系则非常复杂，分析比较困难，图4是实际捕获的DDR2 533 DQS和DQ的波形。从图中可以看出DQS和DQ的三态(Tri-state)特征，读数据（Read Burst）和写数据（Write Burst）的DQS和DQ的相对时序特征。在我们测试时，只是捕获了这样的波形，然后测试出在“读”“写”操作时的建立时间和保持时间参数是不够的，因为数据码型是变化的，猝发长度也是变化的，只测了几个时序参数很难覆盖各种情况，更难测出最差情况。很多工程师花了一周去测试DDR，仍然测不出问题的关键点就在此处。因此我们应该用眼图的方式去测试DDR的读写时序，确保反映整体时序情况和捕获最差情况下的波形，最好能够套用串行数据的分析方法，调用模板帮助判断。

图4：实际捕获的DDR2 533 DQS和DQ的波形

DDR 1&2&3 “读”“写”眼图测试

基于DDR“读”“写”信号相位不同的特征，本人设计了一个软件进行“读”“写”眼图的测试分析，软件使用VEE Pro 7.5设计界面，使用VEE Pro内嵌的Matlab脚本分析数据，基于规范的AC参数设计模板，帮助工程师进行DDR信号完整性测试分析的最复杂部分即“读” “写”数据眼图的测试分析。

图5是软件界面和分析结果的一个示例，上面两福图形是用户界面。左边的是离线分析软件，用示波器同时采集DQS和DQ信号，并且存为*.CSV文件。采集时，采样率设置为20GSa/s，存储深度设置为200k以上，确保捕获足够的数据，同时被测系统运行大型的软件或MemoryTest.exe工具（此内存测试软件能够进行内存总线的加压测试，一般做系统设计的或内存设计的都有），以让总线上有足够多的数据，来增加捕获各种码型和最差情况的可能性。离线软件调用采集的波形，自动去掉三态数据，把“读”数据放在一起，把“写”数据放在一起，基于DQS的有效边沿（去掉预调整和后调整后的上升边沿和下降边沿），累积在一起形成眼图，调用模板判断信号的优劣和是否满足规范要求。 图5右上图是基于Agilent的DSO80000和54850系列示波器的在线实时分析软件界面。需要把软件安装在示波器内部，或安装在外部电脑上用LAN或GPIB到USB适配器（82357A）连接到示波器。示波器的通道1探测DQS，通道3探测DQ，被测系统上运行大型的软件或MemoryTest.exe工具。在在线软件上输入想重复捕获波形的次数，然后按“starting”进行实时数据的捕获和实时眼图的分析，软件会控制示波器捕获波形，然后分析数据，形成眼图，调用模板判断信号是否满足规范要求，然后重复下一次捕获和分析，同时把新捕获的波形累积到前面捕获的波形上面。在线

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