时序计算和Cadence 仿真结果的运用

时序计算和Cadence仿真结果的运用中兴通讯康讯研究所EDA设计部余昌盛刘忠亮摘要：本文通过对源同步时序公式的推导，结合对SPECCTRAQuest时序仿真方法的分析，推导出了使用SPECCTRAQuest进行时序仿真时的计算公式，并对公式的使用进行了说明。

关键词：时序仿真源同步时序电路时序公式一．前言通常我们在时序仿真中，首先通过时序计算公式得到数据信号与时钟信号的理论关系，在Cadence仿真中，我们也获得了一系列的仿真结果，怎样把仿真结果正确的运用到公式中，仿真结果的具体含义是什么，是我们正确使用Cadence仿真工具的关键。

下面对时序计算公式和仿真结果进行详细分析。

二．时序关系的计算电路设计中的时序计算，就是根据信号驱动器件的输出信号与时钟的关系（Tco——时钟到数据输出有效时间）和信号与时钟在PCB上的传输时间（Tflytime）同时考虑信号驱动的负载效应、时钟的抖动（Tjitter）、共同时钟的相位偏移（Tskew）等，从而在接收端满足接收器件的建立时间（Tsetup）和保持时间（Thold）要求。

通过这些参数，我们可以推导出满足建立时间和保持时间的计算公式。

时序电路根据时钟的同步方式的不同，通常分为源同步时序电路（Source-synchronous timing）和共同时钟同步电路（common-clock timing）。

这两者在时序分析方法上是类似的，下面以源同步电路来说明。

源同步时序电路也就是同步时钟由发送数据或接收数据的芯片提供。

图1中，时钟信号是由CPU驱动到SDRAM方向的单向时钟，数据线Data是双向的。

图1图2是信号由CPU 向SDRAM 驱动时的时序图，也就是数据与时钟的传输方向相同时的情况。

Tsetup ’Thold ’ CPU CLK OUTSDRAM CLK INCPU Signals OUT SDRAM Signals INTco_minTco_max T ft_clkT ft_dataT cycleSDRAM ’S inputs Setup time SDRAM ’S inputs Hold time图2图中参数解释如下：■ Tft_clk ：时钟信号在PCB 板上的传输时间；■ Tft_data ：数据信号在PCB 板上的传输时间；■ Tcycle ：时钟周期■ Tsetup’：数据到达接收缓冲器端口时实际的建立时间；■ Thold’：数据到达接收缓冲器端口时实际的保持时间；■ Tco_max/Tco_min ：时钟到数据的输出有效时间。

由图2的时序图，我们可以推导出，为了满足接收芯片的Tsetup 和Thold 时序要求，即Tsetup’>Tsetup 和Thold’>Thold ，所以Tft_clk 和Tft_data 应满足如下等式：Tft_data_min > Thold – Tco_min + Tft_clk （公式1） Tft_data_max < Tcycle - Tsetup – Tco_max + Tft_clk (公式2)当信号与时钟传输方向相反时，也就是图1中数据由SDRAM 向CPU 芯片驱动时，可以推导出类似的公式：Tft_data_min > Thold – Tco_min - Tft_clk （公式3） Tft_data_max < Tcycle - Tsetup – Tco_max - Tft_clk （公式4）如果我们把时钟的传输延时Tft_clk 看成是一个带符号的数，当时钟的驱动方向与数据驱动方向相同时，定义Tft_clk 为正数，当时钟驱动方向与数据驱动方向相反时，定义Tft_clk为负数，则公式3和公式4可以统一到公式1和公式2中。

三．Cadence 的时序仿真在上面推导出了时序的计算公式，在公式中用到了器件手册中的Tco 参数，器件手册中Tco 参数的获得，实际上是在某一种测试条件下的测量值，而在实际使用上，驱动器的实际负载并不是手册上给出的负载条件，因此，我们有必要使用一种工具仿真在实际负载条件下的信号延时。

Cadence 提供了这种工具，它通过仿真提供了实际负载条件下和测试负载条件下的延时相对值。

我们先来回顾一下CADENCE 的仿真报告形式。

仿真报告中涉及到三个参数：FTSmode 、SwitchDelay 和SettleDelay 。

其中Cadence 时序仿真的结果是通过SwitchDelay 和SettleDelay 两个参数反映出来的。

在解释FTSmode 、SwitchDelay 和SwitchDelay 前先解释一下BufferDelay 曲线的含义。

BufferDelay 曲线是Cadence 仿真器断开实际负载，带上驱动芯片器件手册提供的测试负载条件下获得的一条曲线。

测试负载是在IBIS 仿真模型库中设置的。

Cadence 仿真报告中的延时测量是以BufferDelay 为基准曲线，以V Measure 为起始测量点获得的相对延时值。

FTSmode ：定义了当前仿真驱动器的特性，分为Fast 、Type 和Slow 。

该三种特性是在IBIS 模型中定义的，Fast 是驱动器沿最快的模式，Slow 是驱动器沿最慢的模式，从而定义了驱动器在正常工作条件下的两种极限特性。

SwitchDelay ：定义为SwitchDelayFall 和SwitchDelayRise 两者的最小值。

图3给出了SwitchDelayFall 和SwitchDelayRise 的图形解释。

SwitchDelayFall ：是从BufferDelay 下降沿的Vmeasure 点开始到接收波形下降曲线第一次穿过高电平阈值时的延时值。

SwitchDelayRise ：是从BufferDelay 上升沿的Vmeasure 点开始到接收波形上升曲线第一次穿过低电平阈值时的延时值。

SettleDelay ：是SettleDelayFall 和SettleDelayRise 两者的最大值。

图3给出了SettleDelayFall 和SettleDelayRise 的图形解释。

SettleDelayFall ：是从BufferDelay 下降沿的Vmeasure 点开始到接收波形下降曲线最后一次穿过低电平阈值时的延时值。

SettleDelayRise ：是从BufferDelay 上升沿的Vmeasure 点开始到接收波形上升曲线最后一次穿过高电平阈值时的延时值。

从SwitchDelay 和SettleDelay 的定义我们可以看出，SettleDelay 是一个与输入端的建立时间（Tsetup ）有关的量，SwitchDelay 是一个与输入端保持时间有关的量（Thold ）。

V ih minV il maxVmeasureBufferDelay Driver WaveformReceiver WaveformSwitchDelayRise SwitchDelayFallSettleDelayFallSettleDelayRise 图3公式1和公式2中的Tft_data 与Tft_clk 在Cadence 仿真工具中是通过仿真获得的数据，它与Cadence 仿真中fast 和slow 状态下的SwitchDelay 与SettleDelay 参数有关。

为了了解Cadence 仿真中的SwitchDelay 和SettleDelay 与时序公式中参数的关系，我们重新分析一下包含有BufferDelay 曲线的时序图。

Tsetup ’Thold ’ CPU CLK OUTSDRAM CLK IN CPU Signals OUTSDRAM Signals IN（BufferDelay）（BufferDelay）Vmeas1Vmeas2 Vmeas3 VihVil Vih Vil SwitchDelay&SettleDelay Tco_max Tco_min T ft_clk= SwitchDelay= SettleDelayT ft_dataSDRAM ’S inputs Setup time SDRAM ’S inputs Hold timeT cycle图4在图4中，时钟输出和数据输出使用的是BufferDelay 曲线，此时Tco 是时钟BufferDelay 曲线和数据BufferDelay 曲线之间的延时关系，这种定义符合“手册中的Tco 是在特定负载下测得的”说法。

在图4中，CPU CLK OUT （BufferDelay ）和CPU Signals OUT(Bufferdelay)是在测试负载条件下的信号输出波形（对应于图3中的BufferDelay 曲线，而不是驱动端输出曲线），SDRAM CLK IN 和SDRAM Signals IN 是在实际负载条件下输入端口的仿真波形。

在器件手册中给出时序关系时，对于时钟信号，通常以某一测量电压为时间测量点，如图4中的Vmeas1和Vmeas2，对于驱动端测量电压点为驱动器件手册中定义的测量点，对于接收端测量电压点为接收器件手册中定义的测量点。

在Cadence 仿真时，对于接收端电压测量点的设置，通常在接收器件模型中，把输入高低门限电平定义成Vmeas2来实现。

对于驱动端电压测量点的设置，是在驱动器件模型参数中设置的。

此时对于时钟仿真的结果是，时钟信号的SettleDelay 和SwitchDelay 值相等。

对于数据信号的测量点就稍微有点复杂了，这要根据手册中Tco 的测量方式来确定，有的器件手册Tco 是从时钟的Vmeas 到数据的Vmeas 来测量的，有的手册是从时钟的Vmeas 到数据的门限电平来测量的。

如果采用从时钟的Vmeas 到数据的门限电平来测量的，则在Cadence 仿真中，要对高低电平门限分别作为测量点仿真，然后取最恶劣的仿真结果。

对于公式中数据的延时Tft_data ，从Cadence 仿真中对SettleDelay 和SwitchDelay 的定义和图4中的时序关系可以看出，Tft_data 就是仿真结果中的SettleDelay 和SwitchDelay 参数，并且SettleDelay 是与建立时间（Tsetup ）有关，SwitchDelay 是与保持时间（Thold ）有关，因此公式中的Tft_data_min 对应仿真结果中的SwitchDelay ，Tft_data_max 对应仿真结果中的SettleDelay ，考虑到通常Slow 状态的延时比Fast 状态的延时要大，因此，公式中的Tft_data_min 对应仿真结果中Fast 状态的SwitchDelay ，Tft_data_max 对应仿真结果中Slow 状态的SettleDelay 。