對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來說，時序問題在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，尤其是隨著時鐘頻率的提高，留給數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ёx寫窗口越來越小，要想在很短的時間限制里，讓數(shù)據(jù)信號從驅(qū)動端完整地傳送到接收端，就必須進(jìn)行精確的時序計(jì)算和分析。同時，時序和信號完整性也是密不可分的，良好的信號質(zhì)量是確保穩(wěn)定的時序的關(guān)鍵，由于反射，串?dāng)_造成的信號質(zhì)量問題都很可能帶來時序的偏移和紊亂。因此，對于一個信號完整性工程師來說，如果不懂得系統(tǒng)時序的理論，那肯定是不稱職的。本章我們就普通時序（共同時鐘）和源同步系統(tǒng)時序等方面對系統(tǒng)時序的基礎(chǔ)知識作一些簡單的介紹。
普通時序系統(tǒng)（共同時鐘系統(tǒng)）
所謂普通時序系統(tǒng)就是指驅(qū)動端和接收端的同步時鐘信號都是由一個系統(tǒng)時鐘發(fā)生器提供。下圖就是一個典型的普通時鐘系統(tǒng)的示意圖，表示的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的前端總線的時序結(jié)構(gòu)，即處理器（CPU）和芯片組（Chipset）之間的連接。
在這個例子中，驅(qū)動端（處理器）向接收端（芯片組）傳送數(shù)據(jù)，我們可以將整個數(shù)據(jù)傳送的過程考慮為三個步驟：
1.核心處理器提供數(shù)據(jù)；
2.在第一個系統(tǒng)時鐘的上升沿到達(dá)時，處理器將數(shù)據(jù)Dp鎖存至Qp輸出；
3.Qp沿傳輸線傳送到接收端觸發(fā)器的Dc，并在第二個時鐘上升沿到達(dá)時，將數(shù)據(jù)傳送到芯片組內(nèi)部。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)普通時鐘系統(tǒng)的時鐘信號到各個模塊是同步的，即圖中的Tflt clka和Tflt clkb延時相同。通過分析不難看出，整個數(shù)據(jù)從發(fā)送到接收的過程需要經(jīng)歷連續(xù)的兩個時鐘沿，也就是說，如果要使系統(tǒng)能正常工作，就必須在一個時鐘周期內(nèi)讓信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩恕Ｈ绻盘柕膫鬏斞舆t大于一個時鐘周期，那么當(dāng)接收端的第二個時鐘沿觸發(fā)時，就會造成數(shù)據(jù)的錯誤讀取，因?yàn)檎_的數(shù)據(jù)還在傳輸?shù)倪^程中，這就是建立時間不足帶來的時序問題。
目前普通時序系統(tǒng)的頻率無法得到進(jìn)一步提升的原因就在于此，頻率越高，時鐘周期越短，允許在傳輸線上的延時也就越小，200-300MHz已經(jīng)幾乎成為普通時序系統(tǒng)的頻率極限。那么，是不是傳輸延時保持越小就越好呢？當(dāng)然也不是的，因?yàn)樗€必須要滿足一定的保持時間。在接下來幾節(jié)里，我們就建立和保持時間來分析一下時序設(shè)計(jì)需要考慮的一些問題以及正確的系統(tǒng)時序所必須滿足的條件。
時序參數(shù)的確定
對于時序問題的分析，我們首先要清楚地理解相關(guān)的一些時序參數(shù)的具體含義，比如Tco，緩沖延時，傳播延遲，最大/小飛行時間，建立時間，保持時間，建立時間裕量，保持時間裕量，時鐘抖動，時鐘偏移等等，如果對這些參數(shù)的概念理解不深刻，就很容易造成時序設(shè)計(jì)上的失誤。
首先要闡明的是Tco和緩沖延時（buffer delay）的區(qū)別。從定義上來說，Tco是指時鐘觸發(fā)開始到有效數(shù)據(jù)輸出的器件內(nèi)部所有延時的總和；而緩沖延時是指信號經(jīng)過緩沖器達(dá)到有效的電壓輸出所需要的時間。可以看出，Tco除了包含緩沖延時，還包括邏輯延時。通常，確定Tco的方法是在緩沖輸出的末端直接相連一個測量負(fù)載，最常見的是50歐姆的電阻或者30pF的電容，然后測量負(fù)載上的信號電壓達(dá)到一定電平的時間，這個電平稱為測量電壓（Vms），一般是信號高電平的一半。如Tco和緩沖延時的確定如下圖所示：
信號從緩沖器出來之后，就要經(jīng)過傳輸線到接收終端，信號在傳輸線上的傳輸?shù)难訒r我們稱為傳播延遲（propagationdelay），它只和信號的傳播速度和線長有關(guān)。然而我們在大多數(shù)時序設(shè)計(jì)里面，最關(guān)鍵的卻不是傳播延遲這個參數(shù)，而是飛行時間（Flight Time）參數(shù)，包括最大飛行時間（Max Flight Time）和最小飛行時間（Min Flight Time）。飛行時間包含了傳播延遲和信號上升沿變化這兩部分因素，從下圖中可以很容易看出兩者的區(qū)別。
在較輕的負(fù)載（如單負(fù)載）情況下，驅(qū)動端的上升沿幾乎和接收端的信號的上升沿平行，所以這時候平均飛行時間和傳播延遲相差不大；但如果在重負(fù)載（如多負(fù)載）的情況下，接收信號的上升沿明顯變緩，這時候平均飛行時間就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的傳播延遲。這里說的平均飛行時間是指Buffer波形的Vms到接收端波形Vms之間的延時，這個參數(shù)只能用于時序的估算，準(zhǔn)確的時序分析一定要通過仿真測量最大/最小飛行時間來計(jì)算。
上面只是對信號上升沿的分析，對于下降沿來說，同樣存在著最大/最小飛行時間的參數(shù)，如下圖。在時序計(jì)算時我們實(shí)際取的最大飛行時間是在上升沿和下降沿中取最長的那個飛行時間，而最小飛行時間則是取上升和下降沿中最短的那個飛行時間。
也有些時候，人們對信號的最大/最小飛行時間還有其它稱謂，比如在Cadence軟件中，就將最大飛行時間稱為最終穩(wěn)定延時（Final Settle Delay），而將最小飛行時間稱為最早開關(guān)延時
（First SwitchDelay），如下圖。
信號經(jīng)過傳輸線到達(dá)接收端之后，就牽涉到建立時間和保持時間這兩個時序參數(shù)，它們是接收器本身的特性，表征了時鐘邊沿觸發(fā)時數(shù)據(jù)需要在鎖存器的輸入端持續(xù)的時間。通俗地說，時鐘信號來的時候，要求數(shù)據(jù)必須已經(jīng)存在一段時間，這就是器件需要的建立時間（Setup Time）；而時鐘邊沿觸發(fā)之后，數(shù)據(jù)還必須要繼續(xù)保持一段時間，以便能穩(wěn)定的讀取，這就是器件需要的保持時間（Hold Time）。如果數(shù)據(jù)信號在時鐘沿觸發(fā)前后持續(xù)的時間均超過建立和保持時間，那么超過量就分別被稱為建立時間裕量和保持時間裕量。見下圖，其中還考慮了時鐘誤差的因素。
每個器件的建立和保持時間參數(shù)，一般都可以在相應(yīng)的DataSheet查到，對于設(shè)計(jì)者來說最大的目的是提高時序的裕量，這樣即使信號完整性上出現(xiàn)一點(diǎn)問題，或者外界環(huán)境發(fā)生一定的變化，系統(tǒng)仍然能正常工作，這就是一個設(shè)計(jì)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)該體現(xiàn)出的超強(qiáng)的穩(wěn)定性。
系統(tǒng)時序設(shè)計(jì)中對時鐘信號的要求是非常嚴(yán)格的，因?yàn)槲覀兯械臅r序計(jì)算都是以恒定的時鐘信號為基準(zhǔn)。但實(shí)際中時鐘信號往往不可能總是那么完美，會出現(xiàn)抖動（Jitter）和偏移（Skew）問題。所謂抖動，就是指兩個時鐘周期之間存在的差值，這個誤差是在時鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和晶振或者PLL內(nèi)部電路有關(guān)，布線對其沒有影響，如下圖。除此之外，還有一種由于周期內(nèi)信號的占空比發(fā)生變化而引起的抖動，稱之為半周期抖動。總的來說，jitter可以認(rèn)為在時鐘信號本身在傳輸過程中的一些偶然和不定的變化之總和。
時鐘偏移（skew）是指兩個相同的系統(tǒng)時鐘之間的偏移。它表現(xiàn)的形式是多種多樣的，既包含了時鐘驅(qū)動器的多個輸出之間的偏移，也包含了由于PCB走線誤差造成的接收端和驅(qū)動端時鐘信號之間的偏移，比如在下圖中所示，CLKA和CLKB之間的差異，CLKC和CLKP之間的差異均為時鐘偏移，這些偏移量在時序計(jì)算中需要全部考慮。
除了上面提到的這些概念，還有一點(diǎn)要注意的是，時刻不能忽略信號完整性對時序的影響，比如串?dāng)_會影響微帶線傳播延遲；反射會造成數(shù)據(jù)信號在邏輯門限附近波動，從而影響最大/最小飛行時間；時鐘走線的干擾會造成一定的時鐘偏移。有些誤差或不確定因素是仿真中無法預(yù)見的，設(shè)計(jì)者只有通過周密的思考和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累來逐步提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平。
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