基于HyperLynx的数字电路设计综合仿真方法

2 设计实例

2.1 系统架构及仿真需求

图2是一个由4片ADSP-TS201和XC5VSX35T（Xilinx-Virtex5系列FPGA）构成的并行信号处理系统的结构框图，用于某多功能雷达的实时信号处理。该系统采用共享总线的紧耦合架构，4个DSP通过高达4 Gb/s数据吞吐量的链路口实现了彼此的全互联，可灵活地支持共享总线与消息传递两类主要并行计算模型。同时，与外部其他板卡通过高速链路口及总线互联，拥有高速、实时的数据交换与灵活可靠的控制能力。该系统要求电路设计必须满足：

(1)系统主频能稳定运行于480 MHz（芯片最高主频500 MHz)，为了保证各处理器同步，4片DSP及FPGA的工作时钟必须同频同相。
(2)系统外频，即共享总线能稳定运行于80 MHz，从而使得每个DSP可通过共享总线以相同速度访问其他3个DSP及共享存储器(SDRAM和Flash)。
(3)系统主频480 MHz的条件下，链路口能以最高性能全速运行，即双向吞吐量960 MB/通道；
(4)热约束详见本文热仿真部分。
下面将通过该实例来介绍如何运用HyperLynx各仿真模块，以确保系统设计能够满足如上需求。表1给出了仿真中用到的仿真模型参数及部分约束条件，除特殊说明外，参数设置参照表1。

2.2 SI仿真

2.2.1 Pre-layout仿真

(1)根据设计需求，确定总线拓扑结构及PCB叠层。

目前，多片处理器互联常用的总线拓扑主要有菊花链和星型两种拓扑结构。在菊花链结构下，接收端DSP接收波形不仅传输延迟不同，而且靠近驱动端的DSP波形受到严重的反射影响。更重要的是，菊花链结构只适用于总线上仅有一个Master的情形，无法满足设计需求中DSP0-DSP3中任何一个都可为驱动方(即总线Master)的需求，因而本设计中选择星型结构的总线拓扑。在拓扑结构确定后，综合考虑布线约束、布线空间、制造工艺、PCB厚度等方面的因素，就可以初步确定层数、层厚、介质厚度与介电常数、叠层分配等，调整合适的特征阻抗和传输速率，从而确定PCB的叠层设计。

(2)通过端接策略和时序仿真，确定关键信号的端接方式和布线规则。

为了保证信号完整性，从理论上讲，星型拓扑结构的每个分支都应进行AC端接，然而每个分支进行端接的方案在实际中存在两个问题：(1)端接元件数目巨大，布局布线难以实现；(2)负载增加，在DSP驱动能力一定的情形下，信号上升时间过长而无法满足要求。因而实际设计中，应该结合器件的时序需求，合理安排端接，确保信号完整性满足需求。

图3是TS201驱动强度配置为-5级、所有分支无端接时总线信号接收端的仿真结果。图3中，Testload表示TS201数据手册中时序参数测试时的标准负载对应的接收波形，其他则为实际拓扑结构和传输特性下几个DSP和SDRAM的接收波形。由图3可见，与标准负载下的接收信号相比，实际负载条件下的接收信号波形虽然有严重过冲，但TS201引脚内部的钳位电路使之可兼容3.3 V信号，因而引起的过冲效应可以忽略，只要再分析信号的时序裕量即可。

DSP处理器总线操作时序裕量的典型定义为：



(3)通过串扰仿真，确定合理的布线间距等参数。

在DSP、FPGA芯片和星型拓扑布线通道等区域布线密度很大，不同信号线间容易产生串扰。特别是总线类型的信号线，为了保持等长，通常采用1簇平行线，必须对线间距以及平行线最大长度等进行必要的限制。以DSP相邻的两数据线为例，若设线间距5 mil(1 mil=0.025 4 mm)、线宽7 mil、耦合长度1.5英寸(1英寸=2.54 cm)，则干扰源端对接收端产生的串扰信号幅度最大为243 mV，超过了150 mV串扰阈值要求。根据高速数字信号传输的相关理论，可采取加大线间距、减小平行走线（即耦合长度）等措施减少串扰影响，相关参数调整后的串扰信号明显下降。

2.2.2 Post-layout仿真

根据Pre-layout仿真得到的布线约束，完成PCB的布局布线。由于布局布线的密度很大，尤其是在星型拓扑的中心位置和BGA内部，而且高速信号也多集中在此区域，因此借助BoardSim的整板交互式仿真工具，设置相应的参数如串扰阈值、时延最大误差、阻抗最大误差等，可以得到整板的端接、时序、串扰、阻抗等信号完整性报告。

2.3 系统热仿真

热通过传导、对流、辐射三种方式传递[5]，热仿真主要从这三个方面分别考虑，指导散热设计。根据设计要求，在Thermal中导入PCB文件，设置热仿真模型参数如表3所示。

通常条件下，处理器的散热可通过在其顶部加装散射片来解决。从图4可以看出，在系统非密闭的情况下，在DSP和FPGA上加装散热片(散热片的参数设置见文献[6])能够有效地降低系统温度。然而，许多应用中的多处理器系统往往处于密闭腔体中，热往复很大，依靠散热片扩大散热面积的方法难以得到很好