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隨著電路板復(fù)雜程度和密度的不斷提高，采用示波器和邏輯分析儀對有限的測試點(diǎn)進(jìn)行測試和除錯的任務(wù)日益繁重，效率也愈加低下。新興的EDA模擬器和波形瀏覽器利用上千個(gè)時(shí)域可監(jiān)測信號，并能大幅增加除錯范圍。本文將詳細(xì)介紹板級模擬技術(shù)的強(qiáng)大功能及其在縮短電路板設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期中的作用。

圖1：典型的電路板開發(fā)流程圖。

 

無論開發(fā)工具如何的先進(jìn)，在開發(fā)的整個(gè)過程中都不可避免會出現(xiàn)或大或小的缺陷，它們可能潛伏在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和CAD的各個(gè)不同階段。有缺陷并不可怕，重要的是盡早發(fā)現(xiàn)并消除這些缺陷，如此方能有效節(jié)省資金和時(shí)間。板級模擬工具的作用就是在電路板制造前后幫助PCB設(shè)計(jì)人員更快地開展除錯工作。圖1是一個(gè)典型的電路板開發(fā)流程圖。

 

圖2是在圖1設(shè)計(jì)過程中增加了板級模擬的實(shí)際設(shè)計(jì)流程(這樣能大幅降低板級開發(fā)成本)。

 

板級模擬技術(shù)

板級模擬的主要步驟如下：

a. 制定測試計(jì)劃

模擬的第一步是制定完善的測試計(jì)劃，該計(jì)劃要充分反映產(chǎn)品在板級模擬方面的具體要求。測試計(jì)劃可以分成二個(gè)階段實(shí)施，階段1為單個(gè)界面測試；階段2為電路板的整體功能測試。

圖2：板級模擬的實(shí)際設(shè)計(jì)流程。

 

‘階段1’需要明確界定界面的類型和范圍，并把它們完整地隔離出來，例如處理器與記憶體界面的隔離。然后做出測試案例以檢查界面的連接性能和時(shí)序特性。

 

‘階段2’需要將電路板劃分為若干個(gè)功能塊(一個(gè)功能塊可以配備一個(gè)或多個(gè)界面)。每個(gè)界面藉由第一階段確認(rèn)為工作正常后，就可以把目標(biāo)鎖定在單個(gè)模組的功能上，即把整個(gè)電路板當(dāng)成是一個(gè)黑盒子。此時(shí)可以利用合適的測試向量測試模組的詳細(xì)功能，針對合成后的時(shí)序問題以及該功能塊的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

 

b. 模擬環(huán)境的建立

在進(jìn)行模擬前需要建立一個(gè)完善的模擬環(huán)境用以支援、處理和反饋各種輸入信號和測量輸出信號。

模擬環(huán)境要包含以下內(nèi)容：1. 檢查器和監(jiān)視器；2. 網(wǎng)表；3. 模型；4. 目錄結(jié)構(gòu)；

 

1. 檢查器和監(jiān)視器

測試計(jì)劃淮備好后要進(jìn)行錯誤或缺陷的自動記錄。把輸入激勵信號加到電路板上時(shí)，人們都希望得到理想的輸出結(jié)果，但模擬結(jié)果可能有好有壞，這時(shí)為了分析輸出結(jié)果就需要花費(fèi)大量的時(shí)間。如果寫下用于比較的腳本則能避免這類耗時(shí)的分析工作，另外在模擬時(shí)采用標(biāo)志指示故障狀態(tài)也能起到同樣的效果。

 

在模擬時(shí)序和數(shù)據(jù)完整性問題時(shí)，我們把用于指示缺陷的任務(wù)稱為監(jiān)視器(monitor)，而用來模擬功能特性并用于最終結(jié)果比較的腳本稱為檢查器(checker)。這種方法在開始時(shí)可能會花一點(diǎn)時(shí)間，但在實(shí)際測試階段它能大量減少波形查找和結(jié)果分析的時(shí)間。

 

2. 網(wǎng)表

常用的原理圖輸入工具都具有Verilog/VHDL網(wǎng)表產(chǎn)生功能，這些網(wǎng)表包含所有的元件及元件之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。另外，網(wǎng)表中的元件和埠名稱均用符號來表示。

圖3：好的目錄結(jié)構(gòu)能方便管理和跟蹤所有的環(huán)境/代碼文件。

 

3. 模型

模擬需要用到每個(gè)元件的HDL模型，標(biāo)淮晶片的Verilog/VHDL模型庫可以從Synopsys或其它供應(yīng)商處取得。這些模型功能完全與實(shí)際元件相仿，并且能夠靈活改變時(shí)序以滿足最新的元件要求。如上所述，網(wǎng)表中的元件和埠名稱與原理圖輸入時(shí)聲明的名稱是相同的，但實(shí)際模型使用的元件和埠名稱可能會與網(wǎng)表中所用的不同。為了使網(wǎng)表中的埠與模型有正確的連接，需要建立一個(gè)打包文件，該文件僅僅提供網(wǎng)表與實(shí)際模型之間的埠映射關(guān)系，并專門為那些模型與網(wǎng)表中埠名稱不同的元件所建。例如某元件引腳的符號名為OE_，但模型中的埠被命名為oe_n，這時(shí)就需要這樣的打包文件來建立網(wǎng)表中符號引腳與模型埠的連接關(guān)系。

 

4. 目錄結(jié)構(gòu)

通常PCB設(shè)計(jì)者需要建立正確的目錄結(jié)構(gòu)用以跟蹤模擬過程的輸入/輸出信號。這些目錄可以用來區(qū)分不同類型的環(huán)境文件，這些文件類型包括了：cs、本地開發(fā)模型、監(jiān)視器/檢查器、腳本、板級網(wǎng)表、記錄文件和轉(zhuǎn)儲文件等等。好的目錄結(jié)構(gòu)能夠方便管理和跟蹤所有的環(huán)境/代碼文件。圖3給出了相關(guān)的例子。

 

模擬案例研究

下面這個(gè)案例討論的是一塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)板，它的一邊是T1/E1數(shù)據(jù)線，另一邊是PCI匯流排，該板的功能是完成數(shù)據(jù)從PCI匯流排到T1/E1線或T1/E1線到PCI匯流排的傳輸。從PCI匯流排發(fā)出的數(shù)據(jù)首先存入記憶體中，藉由本地處理器處理并轉(zhuǎn)換成T1/E1訊框格式，最后藉由T1/E1線發(fā)送出去。在數(shù)據(jù)處理過程中，還有一個(gè)判別器用來切換處理器和PCI控制器對記憶體的存取。從T1/E1線接收數(shù)據(jù)再傳輸?shù)絇CI匯流排的過程與上述過程正好相反。本應(yīng)用實(shí)例中，功能塊包括：PCI匯流排控制器、裁決器和訊框器/解訊框器，如圖4所示。

 

要將該電路板作為模擬的目標(biāo)板，首先需要劃出并界定各個(gè)獨(dú)立界面，該案例中定義的界面有：1. CPU界面(即CPU到Flash、CPU到SDRAM、CPU到SSRAM、CPU到控制器和CPU到ROM)；2. 裁決器界面；3. PCI界面；4. 訊框器/解訊框器界面。

圖4：測試實(shí)例的功能塊包括PCI匯流排控制器、裁決器和訊框器/解訊框器。

 

在界面模擬中可能存在的隱患是邏輯連接與時(shí)序問題，一旦上述各個(gè)界面的功能都藉由單獨(dú)驗(yàn)証，就可以開展第二階段的功能性模擬。

 

在第二階段的模擬中需要定義不同的功能塊，本案例有如下幾種功能塊：1. PCI匯流排控制器；2. 系統(tǒng)控制器和裁決器；3. 訊框器/解訊框器。

 

將訊框器/解訊框器作為模擬的功能塊對象(假設(shè)PCI匯流排控制器、系統(tǒng)控制器和裁決器都能正常工作，要做的測試僅針對系統(tǒng)的訊框器/解訊框器)，從PCI側(cè)輸入激勵信號，在T1/E1數(shù)位線側(cè)檢查輸出結(jié)果，然后再反過來做一遍。

 

下面是幾種典型的測試情況：1. 不同數(shù)據(jù)內(nèi)容的訊框；2. 訊框的時(shí)延；3. 具有不同參數(shù)設(shè)置的超訊框或擴(kuò)展超訊框；4. 帶CRC錯誤的訊框等。

 

可以按同樣的方法模擬其它的功能塊并檢查模擬結(jié)果。在這一測試階段可能會出現(xiàn)如下一些缺陷：1. 不同功能塊中二個(gè)不同界面具有相同的網(wǎng)絡(luò)名稱，這種情況下通常會導(dǎo)致短路。2. 系統(tǒng)綜合問題，如信號走線從一個(gè)界面跳到了另外一個(gè)界面。3. 某個(gè)界面的數(shù)據(jù)格式不能被其它界面所支援。該階段也稱為電路板的數(shù)據(jù)通道模擬。

 

模擬技巧

下面是板級模擬的一些技巧：1. 對于可程式元件要盡量利用后向標(biāo)注文件。這些文件包含有可預(yù)測的輸入輸出信號時(shí)序資訊；2. 檢查網(wǎng)表中所有的電源網(wǎng)絡(luò)說明，如果有任何遺漏應(yīng)立即補(bǔ)齊；3. 最終網(wǎng)表中存在的但不會被黏著到電路板上的元件需要加以注明。

 

雖然功能性模擬具有以上一些突出優(yōu)點(diǎn)，但也有一定的局限性，使得模擬結(jié)果不能完全類比實(shí)際的電路板，這種局限性表現(xiàn)在：1. 缺少不同的電源網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，因?yàn)樵贖DL中雖然可以聲明電源網(wǎng)絡(luò)但不能標(biāo)明具體數(shù)值，如5V還是3.3V。目前版本的HDL尚不支援這一功能。2. HDL不能模擬類比界面。3. 這種模擬不能發(fā)現(xiàn)與驅(qū)動能力有關(guān)的問題。4. 執(zhí)行記憶體測試需要巨大的轉(zhuǎn)儲文件和較長的執(zhí)行時(shí)間。

 

本文結(jié)論

板級模擬是發(fā)現(xiàn)板級設(shè)計(jì)缺陷的一種直接有效的途徑，雖然需要少量的模擬開銷，但它能大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并且有效地降低產(chǎn)品成本。今天，邏輯電路變得越來越復(fù)雜、板的物理尺寸越來越小，新產(chǎn)品上市時(shí)間愈加緊迫，因而板級模擬技術(shù)尤其顯得重要。當(dāng)然需要提醒大家的是，再好的模擬也不能完全替代實(shí)驗(yàn)室的物理測試過程。