基于某国产处理器的PCIE信号仿真设计

电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
基于某国产处理器的PC IE 信号仿真设计
武天骄杭平平江保力
(中国电子科技集团公司第五十二研究所浙江省杭州市311100)
摘要：本文通过对某国产型号处理器高速P C I E 接口进行信号完整性仿真设计，阐述了仿真流程和思路、P C B 无源通道的设计优化 着眼点，以及IBIS -A M I 模型在高速S e r d e s 仿真中的应用。

通过此方法可显著改善P C I E 信号质量，提高设计可靠性。

关键词：高速串行信号；无源通道；仿真设计；P C I E ; Hyp e r lynx
电子技术
Electronic Technology
1
引言表1: P C I E 总线速率和编码方式
当今世界数字技术飞速发展，无论是一位从事通信系统，计算 机系统、雷达和卫星通信系统、或是高速半导体集成电路设计、高 速光电收发模块、高速信号处理、高速互连器件（如高速接插件， 高速数字传输电缆）等领域的研发及测试工程师都会面临信号完整 性问题。

近年来，在国家集成电路国产化大背景下，国产核心器件的研 发和产业化应用显得尤为关键。

在工程实现中，科学有效的仿真手 段和方法对解决高速接口的信号完整性问题十分重要。

本文就国产 某型号处理器高速P C I E 接口进行信号完整性仿真设计。

2
高速串行信号仿真设计概述
通常在P C B 、电缆等互连结构中，当信号上升时间小于6倍的 信号传输延时，就需要考虑信号完整性问题，这时，这些无源结构 需要用传输线的理论进行分析和设计。

高速信号的仿真设计可分为前仿真和后仿真；以及无源仿真和 有源仿真。

核心是分析整个链路的损耗大小，并对各个无源结构如 P C B 互连通道、过孔、连接器、线缆等进行仿真优化设计，最终满 足协议规范或器件的性能指标要求。

在图1所示的系统无源链路示意图中，不同的互连结构要运用 不同的模型进行表征：
(1) 芯片的发送和接收：芯片的内部电路，使用A M I 模型； 芯片的封装，使用S P I C E 模型或S 参数模型。

该部分模型通常由 芯片制造厂商提供。

(2) P C B 上的过孔：为保证仿真精度，高速信号仿真中通常 使用S 参数模型。

该模型由信号完整性工程师使用三维电磁场仿真 工具结合实际P C B 建模并仿真得到S 参数。

(3) P C B t 的传输线：通常对于参考层连续的传输线，使用 传输线等效电路模型；参考层不连续的传输线，可通过三维电磁场 仿真工具进行S 参数提取。

(4) 连接器：使用S 参数模型或R L C 等效模型。

通常，由连 接器厂商提供，以S 参数模型居多。

接下来，就可以对整个无源链路进行系统级建模，按照协议或 器件性能指标，把损耗预算分配到无源链路的各个互连结构中，来 逐个进行仿真分析，找出优化空间和方法。

如：优化P C B 布线和 过孔、选用损耗更小的板材或连接器，甚至更换性能更好的芯片 等等，最终的目的是使得整个系统链路的性能符合设计要求。

3 P CIE
P C I E x p r e s s 简称P C I E ，是一种通用的总线，是现代计算机系
统内的主流总线传输接口。

常用在板级互连、无源背板互连、或 附加扩展接口。

P C I E 链路由多条l a n e 组成，常见的有X I 、X 2、 X 4、X 8、X 16、X 32，对应不同的总线带宽。

不同的P C I E 总线规范使用不同的总线频率，其使用的编码方 式也不同，P C I E 3.0和4.0版本上使用128/130b 的编码方式，较 8/10b 编码效率上大大提高。

如表1所示。

当前国产处理器中较常见的P C I E 还是3.0版本，单通道最大 传输速率为8G b p s ,信号在输出、接收端均需满足P C I E 3.0协议的 电气规范。

4无源通道的仿真设计
4. 1耦合电容
P C I E 总线版本
单L a n e 的峰值带宽
编码方式G e n l 2.5G T p s 8/10b G e n 25G T p s
8/10b G e n 38G T p s
128/130b G e n 4
16G T p s
128/130b
图1:系统无源链路示意图
图3
信号在传输的过程中，如果传输路径上的特征阻抗发生变化， 信号就会在阻抗不连续的点产生反射。

通常在P C B 上，传输线的 阻抗往往会控制地很好，但大尺寸焊盘和信号过孔常常被忽略，这 两者是易造成阻抗不连续的区域。

比如：50欧微带线上有大尺寸
107
焊盘时，大尺寸焊盘相当于分布电容，破坏了微带线的固有的阻抗 连续性。

根据传输线理论，这时可加大微带线的介质厚度，使得微 带线的线宽和大尺寸焊盘宽度尽量接近，该方法会造成微带线宽度 较宽，在高密度板卡的设计中实现难度很大；另一种方法是微带线 介质厚度、线宽不变，将大尺寸焊盘下方的地平面挖空，同样可以 减小焊盘的分布电容，只不过，焊盘挖空的大小需要通过仿真来确 定。

这种方法，常常用在高速信号的耦合电容或芯片焊盘处。

分别建立3种不同挖空形式的仿真模型：
Casel (红色曲线）：电容焊盘下方无挖空，参考第2层地平面，如图2所示。

图6
|S1
i G1
I G2
-S4
图8:简化的过孔等效电路示意图
C a s e2 (蓝色曲线）：电容焊盘下方挖空第2层，参考第3层 地平面，挖空尺寸和焊盘等大（长19.69m i l宽15.75m i l),如图3所示。

Case3 (绿色曲线）：电容焊盘下方挖空第2层，参考第3层 地平面，挖空尺寸和电容本体等大（长41.34m il宽21.66m i l)，如图4所示。

S D D11和S D D21 (如图5所示）。

T D R:上升时间40p s，如图6所示。

通过S D D11(差模回波损耗）和S D D21 (差模插入损耗）可 以看出，在本案例的叠层结构下，C a s e3的无源传输性能最优；从 T D R也可以看出，C a s e3在电容焊盘处的阻抗明显优于C a s e l和
C a s e2 〇
4.2过孔
信号过孔由焊盘（p a d)、反焊盘（a m i p a d)、贯穿孔（barrel)、过孔残桩（stub)组成。

焊盘是传输线与过孔连接的金属化圆环；反焊盘是过孔与铜箔、信号线之间避让间隙：贯穿孔是P C B上贯 穿T O P和B O T T O M层的-个金属圆柱体结构；过孔残桩是过孔未 使用到的部分。

如图7所示。

过孔的等效模型可以由R L C构成，经过简化的等效电路模型 如图8所示。

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电子技术Electronic Technology
图9 图10 图11
图13
从等效模型中可以看到：焊盘等效为电容；反焊盘等效为电容；
贯穿孔等效为电感；过孔残桩等效为电感和电容的集合。

过孔寄生电容可以导致信号上升时间变长，传输速度减慢，从
而恶化信号质量。

同样，过孔寄生电感会削弱去耦电容的作用，从
而减弱整个电源系统的滤波效果。

此外，过孔阻抗不连续会影响其
传输性能，引起高速信号、射频信号反射，造成信号完整性问题。

减小过孔阻抗不连续的常用方法有：去除非功能焊盘、选择合
适的出线方式、优化反焊盘尺寸、减小过孔s t u b长度等。

其中，优
化反焊盘尺寸和减小过孔s t u b长度是设计中最常用的方法。

分别建立3种不同大小反焊盘仿真模型：
过孔直径：lOmil
过孔焊盘直径：20mil
孔中心间距：39.37mil
反焊盘挖空为in-line模式。

Casel(红色曲线）：反焊盘直径30m i l，如图9所示。

C a s e2 (蓝色曲线）：反焊盘直径36mil，如图10所示。

C a s e3 (绿色曲线）：反焊盘直径42mil，如图11所示。

S D D11 和 S D D21 (如图 12)。

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i
图14
T D R:信号上升时间40p s,如图13所示。

通过S D D11(差模回波损耗）和S D D21 (差模插入损耗）可 以看出，在本案例的叠层结构下，C a s e2和C a s e3的无源传输性能 要优于C a s e h从T D R也可以看出，C a s e3在过孔处的阻抗明显优 于 Casel 和 C a s e2。

分别建立两种s t u b长度的仿真模型：
过孔直径：lOmil
过孔焊盘直径：20mil
图15
图17
孔中心间距：39.37mil
反焊盘挖空为in-line模式。

Casel(红色曲线）：s t u b长度67.256m i l,如图14所示。

C a s e2(蓝色曲线）：通过背钻工艺，将s t u b长度减小至4mil，如图15所示。

S D D11 和 S D D21 (图 16) 〇
可以看到，在s t u b长度有67.256m i丨的C a s e l中，在17.7G H z 频率下，S D D21达到了-29.2d B,S D D11达到了-0.88d B，说明在
I
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电子技术
Electronic Technology 表2
D e e m p h a s i s code
E y e opening
_____________________________T i m e,U I_________________Voltage,V
P0
(0，0.75,-0.25)
0.5408660.359916
P1
(0，0.833,-0.167)
0.6778860.393384
P2
(0,0.8,-0.2)
0.6298090.388349
P3
(0，0.875,-0.125)
0.7163470.383668
P4
(0，1，〇)
0.7692320.361683
P5
(-0.1, 0.9, 0)
0.742790.424144
P6
(-0.125, 0.875, 0)
0.7524050.432985
P7
(-0.1, 0.7,-0.2)
0.5913470.406002
P8
(-0.125, 0.75, -0.125)
0.6586550.402212
P9
(-0.166, 0.834, 0)
0.711540.396166
该频率下，大部分能量被反射回源端，通过背钻去除过孔s t u b后，S D D21仅为-0.79d B，S D D11仅为-12.69d B,改善效果显著。

4. 3整个通道
在完成对通道中各个要素仿真优化之后，还需要将各要素进行 级连，构建完整的信号通道，得到整个通道的S参数，以判定是否 符合P C I E协议的无源指标。

以下是通过本文方法优化前后的无源 参数对比，可以看到，通过优化耦合电容和过孔，回波损耗在高频 段大幅改善，消除了插入损耗10G H z至17G H z范围内因谐振引起 的损耗急剧增大，使得插入损耗（S D D21)曲线更加平滑，大大提高了通道的高频性能。

优化前：红色曲线
优化后：绿色曲线
S D D11 和 S C C11(图 17)。

S D D21 (图 18)。

5时域眼图仿真设计
对整个链路的无源性能进行判定通过后，就可以加载发送、接 收端芯片的IBIS-A M I模型来进行时域眼图分析了，在此过程中，还可以对芯片F F E、D F E、C T L E等参数进行扫描，来找到适合当
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自动化控制Automatic Control
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering 传感器故障诊断与分布式M P C容错控制
刘勇石翠#李小兵
(工业和信息化部电子第五研究所广东省广州市510620 )
摘要：本文研究了针对传感器故障的诊断与分布式预测控制（Mod e l P r e d i c t i v e C o n t r o l，M P C)容错控制方案。

首先，利用分布 式卡尔曼滤波对系统状态进行估计，构建故障诊断残差，在残差发生器中引入残差信号，生成故障信号，对传感器故障进行诊断。

然后，利用M P C在线求解控制器的特点，设计容错控制器。

最后，针对分布式框架下的容错控制问题，开展数值仿真分析，表明该方案能够在保 持所需控制性能的同时，降低传感器故障的影响。

关键词：传感器•，分布式；M P C;容错
1引言
大型工业过程是由许多组件组成的系统，这些组件可以通过物 理连接相互作用。

由于计算的复杂性和通信带宽的限制，用集中的 结构来估计/监视状态或控制这些系统是不容易的[1]。

近年来，人 们越来越感兴趣的是将一个完整的设备组成几个子系统，然后对每 个子系统进行分布式控制和状态估计。

分布式控制器设计方法和迭 代协调算法引起了人们的广泛关注[2]。

容错控制问题己成为现代控制系统和实际应用中的一个重要课 题[3]。

现代控制系统需要满足高控制性能和安全要求。

对于复杂系 统，传感器、执行器或其他系统组件可能存在故障[41,这将导致控 制性能下降，甚至导致系统不稳定。

为了解决可能出现的故障，许 多容错控制方法被提出，以保持理想的稳定性和性能要求[5]。

这些 方法被称为容错控制系统，可以自动处理故障的影响，同时确保所 需的控制性能。

容错控制系统一般分为两类['一种称为被动容错 控制，在这种控制中，控制器被可靠地设计来处理假定的故障，因此需要一个故障检测和诊断方案或控制器重新配置。

另一种是主动 容错控制，它可以通过重新配置控制输入以保持可接受的控制性能 来主动响应故障。

虽然，容错控制方案受到了诸多关注，但是分布式容错控制方案却很少受到关注。

本文针对传感器故障问题，设计分布式故障诊 断和容错控制框架，利用分布式卡尔曼滤波方法对故障进行诊断，并设计分布式M P C进行容错控制。

2问题描述
本文考虑一类如下形式的一般非线性系统：
x{t) = f{x{t\u(t\M t))
y(0 = h(x(0^v(0)⑴
其中；c e D T表不系统的状态矢量，y e5T1表不被测输出的矢量，w(t)表示模型未明确描述的随机过程噪声/干扰，v是测量噪声矢量，f和h分别描述非线性系统动力学的函数及输出关系。

为设计分布 式容错控制方案，需要将系统（1)划分为子系统，得到第i个子 系统将采用以下形式：
Xi(0= f i {x t(t),(/),^(/),u,(/),w((/))
只⑴=W/)，v,(/)) (2)
其中;c,e i r表示第i个子系统的状态向量时，r,e n r是第i子系 统的测量输出向量，^是一个向量，它包含所有子系统的状态，这 些状态直接影响子系统i动态，i=l,…，M，M是总子系统数，h是 一个向量，它包含所有子系统的输入，这些输入直接影响子系统i 的动态。

A为过程噪声，、为子系统i的测量噪声。

r
图18
前通道的最优参数配置，进一步提升眼图质量，增加设计裕量，保 证系统工作的可靠性。

对4.3章节中优化过后的通道进行眼图仿真，R X端D F E采用 自适应模式，T X端D e e m p h a s i s的不同T a p值对应如表2所不。

可以看到：当D e e m p h a s i s 设置为 P6:-0.125，0.875，0 时，接收端眼图最优，眼宽和眼高分别为0.752405U I，0.432985V。

6结语
本文通过对某国产处理器P C I E接口的信号完整性仿真，阐述 了基于H y p e r l y n x仿真软件的仿真流程和思路，P C B无源通道的设 计优化着眼点，以及IBIS-A M I模型在高速S e r d e s仿真中的应用。

通过此方法可显著改善P C I E信号质量，提高设计可靠性。

参考文献
r】]邵鹏.信号/电源完整性仿真分析与实践[⑷.北京：电子工 业出版社，2013.
[2] 蒋修国，林超文，李增.H y p e r l y n x高速电路仿真实战[M].北
京：电子工业出版社，2017.
[3] L V D S用户手册包含高速C M L和信号调理内容（第4版），2008.
[4] PCI E x p r e s s B a s e S p e c i f i c a t i o n R e v i s i o n 4.0, V e r s i o n
1.0,2017. 9.
作者简介
武天骄（ 1986-)，男，山西省阳泉市人。

学士学位，现为中国电 子科技集团公司第五十二研究所工程师。

研究方向为高速P C B和信
号完整性设计。

杭平平（ 1986-),男，江苏省东台市人。

硕士学位，现为陆军装 备部驻南京地区军代局驻杭州地区军代局军代表。

研究方向为数字 电路、并行计算。

江保力（ 1984-)，男，山东省菏泽市人。

学士学位，现为中国电 子科技集团公司第五十二研究所电路技术研发部硬件设计师。

研究 方向为高速电路、电源、测试设计。

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