用高帶寬混合信號示波器進行DDR驗證和調試的技巧

?? DDR存儲器，也稱雙倍數據率同步動態隨機存儲器，常用于高級嵌入式電路系統的設計，包括計算機、交通運輸、家庭娛樂系統、醫療設備和消費類電子產品。 DDR的廣泛采用也推動著DDR存儲器自身的研發，在DDR 1和DDR 2逐漸得到普及并成熟運用于某些行業的同時，新的DDR技術也開始出現在電子產品設計中，如DDR3(第三代DDR技術)和LPDDR(低功耗DDR技術)器件，它們能提供更高的性能。你可能認為DDR存儲器的設計非常簡明，但事實上，這些存儲器件中更高的數據率和更低的電壓常常會令你感到很難有設計裕量。此外，DDR接口是最為復雜的高速接口之一，因為每個存儲器件上都有很多引腳；DDRII/III DQS、DQ等信號線不是簡單的邏輯1和邏輯0，還包括高阻態；高速數據傳輸速率已經達到USB2.0和PCI -Express等串行技術的數百兆位每秒水平。這樣一來，驗證DDR接口成為一項繁雜的任務。雖然示波器廣泛用于DDR接口的高性能物理層驗證，但 DDR存儲器技術的復雜性使常規示波器的驗證和調試成為一項挑戰。它可能會限制你進一步測量的能力，如讀寫數據分離、命令觸發、狀態機解碼和協議調試。針對此，本文將重點介紹常規示波器驗證過程中所遭遇的挑戰，以及MSO如何應對這些挑戰。
　驗證挑戰

　　DDR存儲器接口的復雜，不僅體現在它是并行接口，每一根數據信號的傳輸率達幾百兆甚至超過1G比特每秒，而且還體現在DDR存儲器控制器和 DDR芯片間大量的信號互連。一個典型DDR器件有20個以上的信號，包括時鐘、6個控制信號、12個地址信號、1個選通信號和8個數據信號。當啟動一項操作時，存儲器控制器要通過輸出至DDR芯片的控制信號發布命令。傳統示波器只有4個模擬輸入通道，而您可能需要同時連接所有6個控制信號，來確定發送至 DDR接口的命令類型，更不用說很多時候設計人員需要同時觀察時鐘、數據選通和數據信號。

　　即使設計人員能根據有限的控制信號推導出命令或狀態，但依據每一控制信號的高低狀態解碼當前命令，并回溯至DDR規范的真值表仍很困難。即使有可能實現，這也會是極為費時和容易出現人為錯誤的任務。解碼成百，甚至上千的長波形跡線并保持跟蹤則會是一場噩夢。由于示波器不能自動提供實時信息，手動查錯工作將因費時費力而失去效率和效果。

　　由于受示波器通道數的限制，設計人員也許不能對所關注的信號作任何有意義的測量。例如當把示波器通道接至一個時鐘信號和三個控制信號后，就已經用完了所有的示波器通道。因此不能查看存儲器控制器要訪問的地址信號，或是正在DDR總線上傳輸的數據信號。

　　對于存儲器控制器和DDR芯片的驗證來說，隔離讀寫操作的能力至關重要。由于DDR總線上的讀和寫操作使用相同的數據選通和數據信號進行通信，沒有將讀和寫操作區分開來分析的能力意味著示波器捕獲的波形將是混亂的，不能有效表征存儲器控制器和DDR芯片的性能特性。要隔離讀寫操作，就需要用有限的示波器通道隔離用于讀寫命令的控制信號，但這是非常艱巨的任務。是否有隔離讀寫操作的更有效方法呢？

　　如果上述挑戰對你來說還是可以應對的，別忘了你還需要花時間驗證JEDEC規范定義的每一項測試參數。由于測試列表可能很長，因此往往難以全面表征每一項測試。進行手動測量并不可取，而更不可取的是測試報告必須人工記錄和編制報告格式。有沒有可用于執行測量的已開發工具呢？最重要的是物理層和協議層的查錯極為棘手。通常情況下要同時使用邏輯分析儀和示波器，但這將增加成本和學習時間。上述所有對傳統示波器的挑戰導致出現了對全新示波器的巨大需求，這種示波器應有不止4 個輸入通道，還具備適用于驗證和調試DDR接口的新能力。

　　圖1：混合信號示波器(MSO9000A)上的模擬通道和邏輯通道提供復雜的觸發、狀態機解碼和協議測量，以超出傳統示波器的能力完成復雜的DDR驗證和調試。

　　混合信號示波器的新能力

　　一種被稱為混合信號示波器的非傳統式示波器，除4個模擬輸入通道外，還有集成的邏輯通道，儀器內部的這兩種通道是時間相關的(注意示波器通道和邏輯通道在硬件上是集成到一臺儀器上，而不是兩臺儀器湊在一起，或者一臺示波器外加一個邏輯分析儀小盒子)。可把這種儀器想象成一種由傳統示波器和邏輯分析儀組成的混合型工具。由于有了更多的通道，你現在可以把控制信號接到混合信號示波器的邏輯通道，從而輕松地觸發各種命令，如激活、預充電、讀和寫，同時把模擬通道留出來作信號物理層測量。現在，涉及在多個控制信號上進行復雜觸發的其它類型協議測量，比如寫延遲和自動預充電參數等等，都可以用混合信號示波器完成。

　　MOS還提供DDR接口上的狀態機解碼和操作解碼命令信息。此前你可能必須手動解碼DDR協議或命令，但MOS可以自動解碼這些命令。它很快告訴你當前控制信號狀態所對應的命令，從而使你能專注于驗證和調試。通過它，你還能很快告訴示波器隔離總線上的特定命令。例如你可以使用邏輯通道實現“寫命令”觸發，在選通信號和數據信號上進行參數測量。

　　邏輯通道也能讓你同時觀看其它信號，如地址信號和數據信號，這在傳統示波器上是不可能的。有了這種能力，你就能更有效地查看DDR接口上的其它信息。與模擬通道的結合使其成為一種功能強大的調試工具，因為你能用先進的交叉觸發能力很快找出物理層和協議層的問題。通過確定DDR接口上的故障類型，就能在設計階段很快解決各種問題。

　　用于驗證的其它特性

　　為幫助你節省驗證時間和減輕工作量，許多復雜步驟都可以通過內置于MSO中的DDR自動“應用程序”自動完成。使用這些自動化測試軟件，對每一測試參數的測量可重復多次，你可以通過全面的統計結果以及對最壞結果的屏幕捕獲，對信號進行深入剖析。你所需要做的，只是把所需信號連接到MSO，選擇需要的測試項目，如時鐘抖動測試、信號眼圖等，然后執行測試。該應用程序會自動生成完整的測試報告以進行存檔或分享。這樣做帶來很大好處，因為該應用程序免除了原本需要手工完成的工作，從而為你節省了大量時間和精力。

　　圖2：DDR測試軟

　　除了用MSO的邏輯通道隔離讀寫命令外，你還能用MSO的區域觸發能力在示波器屏幕上畫出一個區域，在無須耗用邏輯通道的情況下隔離出讀或寫操作對應的波形。利用區域觸發能力，你還能根據波形是否經過某一特定區域來區分是讀還是寫操作。在圖3中，DDR信號以長余輝模式顯示讀信號和寫信號的不同。根據波形來區別行為特征，寫操作是由存儲器控制器來驅動，讀操作由DDR芯片來驅動，存儲器控制器和DDR芯片的電氣行為不可能相同，所以讀操作和寫操作對應的DQS數據選通波形通常會很不相同。你可以觀察DQS選通信號($波形)上的特征，結合區域觸發功能，輕松隔離讀和寫操作。這一特性的優點是可把更多的邏輯通道留給信號測試，如地址信號等，而不是將其用于讀寫命令觸發。

　　圖3：使用混合信號示波器的區域觸發，寫信號從復雜的讀寫命令中成功分離出來。邏輯通道留用于觀看DDR總線上的地址等其它信息。

　　隨著DDR存儲器技術的進步，用模擬通道數有限的傳統示波器進行DDR驗證和調試已越來越富于挑戰性。借助MSO，你可以從容應對各種測量挑戰，該產品提供物理層測試以外的更多測量能力。現在，你可以用MSO的邏輯通道進行復雜的觸發、狀態機解碼、協議測量以及各種復雜的調試。通過一并提供的自動化應用程序和區域觸發能力，你現在有了可省時省力的更為強大的測量能力。最終，這些會轉化為終端產品設計和生產中更佳的質量和更快速的上市時間。