源同步時序協議在現代高速接口中發揮著關鍵的作用。本文將從時序角度來探討不同類型的源同步協議以及它們所帶來的時序收斂方面的挑戰。

圖1：源同步協議。

如圖1所示，在正向源同步時序協議中，會發送一個時鐘作為基準來對發送的數據進行采樣。這可幫助接收器通過維持數據和輸入時鐘信號之間的偏置來避免亞穩態。

但在有些情況下，數據接收方必須發送一個時鐘以供數據發送方作為依據來發送數據。大量的往返時間使得頻率無法提高，正因如此，大多數發送方會隨數據發送另一個時鐘/選通以方便接收方采樣。但是，發射器可通過兩種方式發送數據，我們將在這里詳細討論。

發射器根據時鐘發送輸出延遲數據

圖2：在下一邊緣對延遲數據進行采樣。

如圖2所示，在這種情況下，發射器會先保持數據然后再發送。盡管對于收發器而言這種做法無關緊要，但實際上在物理實施中，需要花費大量工作才能在快速流程、高電壓和降低延遲的溫度條件下保持數據。或者，可以在完成所需數字相位偏移后，使用更快的時鐘邊緣來啟動數據。

發射器會在通常稱為輸出保持(tHO)的時間段后開始更改數據。發射器被允許在達到通常稱為數據有效輸出(tDVO)的時間前更改數據。tDVO達不到時鐘采樣邊緣，此后，數據將重新變為有效且穩定。tDVO–tHO通常被稱為發射器的數據無效窗口，這是一部分可用的相移，允許更改數據。可用相移的剩余部分稱為數據有效窗口。

請務必注意，通過保持數據，發射器已確保采樣邊緣位于有效窗口內。采樣邊緣前面的有效窗口部分被接收器用來匹配其捕獲/采樣觸發器的建立時間，并被稱為接收器的輸入建立時間。采樣邊緣后面的有效窗口部分幫助匹配捕獲觸發器的保持檢查時間，并被稱為接收器的輸入保持時間。因此，接收器必須對輸入時鐘執行最少的調動，并且使輸入時鐘的偏置與輸入數據匹配。

發射器根據時鐘發送輸出偏置數據

圖3：在下一邊緣對偏置數據進行采樣。

我們來看看圖3中所示的其他可能性。發射器現在不再保持數據，而會將數據分散至發送給接收器的時鐘。因此，數據在時鐘邊緣的兩端發生偏置。考慮雙倍數據速率(也稱為雙倍切換速率)的情況，如果接收器嘗試在下一個邊緣對該數據進行采樣，請注意，tHO參數是負值，因此必須將數據延遲至少x(x＞tHO+保持檢查時間)，才能將有效窗口發送至時鐘邊緣附近。這會增加很多緩沖區/中繼器，并造成區域開銷。最壞的情況是，在降低延遲的流程電壓溫度(PVT)條件下，每次推動x容限，增加延遲的PVT條件下都會推動3x-4x，這可能會再次將有效數據移出采樣邊緣。

圖4：在相同邊緣對偏置數據進行采樣。

現在，我們來觀察如果接收器嘗試在相同邊緣自行對數據進行采樣，會發生什么情況，如圖4中所示。這時，接收器擁有充足的保持時間來匹配其保持檢查時間。但是，tDVO現在超過了建立檢查時間，因此會發生建立違規現象，從而導致出現亞穩態。

圖5：在相同移位邊緣對偏置數據進行采樣。

接收器現在必須制定一個策略來對時鐘進行超過數據的延遲/移位，以將時鐘推入有效窗口內，從而在移位時鐘的兩端留有足夠的容限，滿足圖5中所示的建立和保持時間。有兩種方法來執行該操作：

1.架構移位解決方案

正常解決方案是使時鐘相移90°，將其推入可用相移的中間位置，幫助接收器達到正輸入建立時間和保持時間。但是，這說起來容易做起來難，因為輸入時鐘在設計上與其他時鐘沒有相位關系，必須部署同步結構來吸收亞穩態。還需要使用兩倍頻率的時鐘來實現90°相移。可以根據數據有效窗口與時鐘的偏差來探索45°或135°等其他相移容限的移位，但那可能需要更高頻率的時鐘。

2.物理移位解決方案

或者，還可以通過在時鐘路徑中放置更多緩沖區/中繼器，利用物理贗象來使用時鐘。但是，這比架構解決方案更加復雜，因為這要求在所有流程、電壓和溫度條件下使用相同的最低移位量。同樣，對于降低延遲的流程電壓溫度( PVT)中提供的任何移位x，增加延遲的PVT情況會出現3x-4x移位，如果數據有效窗口較小，這可能會讓時鐘邊緣再次進入無效窗口，如果目標是較高頻率的話，很有可能會發生這種情況。

因此，接收器必須選擇輕者來對邊緣偏置數據進行采樣。如果發射器保持數據一段時間， 則兩者都不必要，但這時，發射器必須面對一定的困難，即在聲明的時間段內保持數據有效，即便是在降低延遲的PVT條件下也是如此。

當發射器設備不固定并且接收器需要計劃處理輸出延遲數據和邊緣偏置數據時，這種問題比較嚴重。這種情況下，通常會將SoC連接至不同閃存設備，因為這兩種閃存類型在市場中都有售。通過(供應商)公認機構或協會來實現規范標準化將幫助縮小問題，從而實現較高頻率，將性能擴展至新的高度。

（作者：Babul Anunay、Amol Agarwal、Priya Khandelwal, 恩智浦(原飛思卡爾印度公司)）
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