时钟发生器在片上系统处理器中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:发伊姆

出品人:

页数:245

译者:

出版时间:2007-8

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787030188526

丛书系列:国外电子信息精品著作

图书标签:

• 时钟发生器
• 片上系统
• 处理器
• SoC
• 数字电路
• 集成电路
• 嵌入式系统
• 低功耗设计
• 时序电路
• VLSI设计

现代微处理器中的信号完整性与电源完整性设计 本书深入探讨了当前高性能微处理器系统中至关重要的两个方面：信号完整性（SI）和电源完整性（PI）。随着芯片集成度的不断提高和工作频率的持续攀升，这些问题对系统的可靠性和性能构成了严峻的挑战。本书旨在为电子工程师、系统架构师和高级技术研究人员提供一套系统化、深入且实用的设计、分析和验证方法论。 第一部分：信号完整性的基础与挑战 第一章：高速数字信号传输的物理基础 本章首先回顾了电磁场理论在PCB和封装层面的应用。重点解析了传输线理论，包括特性阻抗、反射、串扰和损耗等关键参数。我们详细讨论了有损传输线模型（如频域的RLGC参数化模型）在实际高密度互连（HDI）结构中的精确建立方法。此外，还阐述了皮肤效应和介质损耗在高频信号传输中的具体影响机制。 第二章：串扰分析与抑制技术 串扰是高速设计中最难预测和消除的噪声源之一。本章系统地分析了近端串扰（NEXT）和远端串扰（FEXT）的生成原理，并引入了多导体传输线模型（MCTM）进行精确仿真。讨论了隔离布局技术，如增加耦合间距、采用地平面分割、设计护线（Guard Traces）的有效性。针对新兴的差分信号对（Differential Pairs），深入剖析了共模抑制比（CMRR）对串扰的影响，并提出了优化差分对布局和过孔设计的具体准则。 第三章：时序裕度和抖动管理 在现代处理器中，严格的时序要求是实现性能飞跃的关键。本章聚焦于时序分析（Timing Analysis）的复杂性。我们详细阐述了系统时钟抖动（Jitter）的来源，包括周期抖动、随机抖动和确定性抖动，并介绍了IEEEE 288.1等标准对抖动分解的要求。内容涵盖了建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的裕度计算，以及如何通过时钟树综合（CTS）和布线优化来最小化时钟路径上的偏差。此外，还探讨了先进的均衡技术，如去加重（De-emphasis）和判决反馈均衡（DFE）在接收端如何恢复受损信号。 第四章：过孔与封装的信号影响 过孔（Via）是信号通过不同层级时的主要障碍。本章将过孔视为三维非理想传输线模型进行分析。详细研究了过孔的电感和电容效应，特别是高频下过孔谐振的现象。内容包括不同过孔结构（如盲孔、埋孔、背钻孔）对信号反射和上升时间的影响比较。针对芯片封装，分析了引线键合（Wire Bond）和倒装芯片（Flip-Chip）结构对信号路径的影响，并介绍了封装寄生参数的提取和建模方法。 第二部分：电源完整性的核心要素 第五章：电源分配网络（PDN）的建模 电源分配网络（PDN）的性能直接决定了芯片的噪声容限。本章将PDN视为一个复杂的LCR网络。我们首先介绍了去耦电容（Decoupling Capacitors）的选型原则，包括容量、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）对不同频率噪声抑制的影响。内容深入到片上电感（On-Die Inductance, ODI）和封装电感（Package Inductance）的提取与优化。通过建立PDN的阻抗谱，本章指导读者确定目标阻抗曲线，并据此规划去耦电容的布局和数量。 第六章：瞬态电流与压降分析 处理器核心的开关活动产生巨大的瞬态电流尖峰，导致电源网络上的电压波动，即地弹（Ground Bounce）和电源噪声（Vdd Droop）。本章详细分析了片上负载模型（如IC-CAST模型）的建立，以及如何利用IBIS-AMI模型进行精确的瞬态电流仿真。重点讲解了降噪技术，包括采用多层电源平面、优化过孔的电源/地平面连接，以及在PCB和封装层面进行低阻抗路径设计的策略。 第七章：电磁兼容性（EMC）与辐射抑制 电源完整性问题通常是电磁干扰（EMI）的根源。本章将电源噪声分析提升到电磁兼容性的层面。探讨了PCB的平面分割、缝隙（Slots）和开孔（Stubs）对高频电流回流路径的破坏性影响，这些都会导致意想不到的辐射源。讲解了如何通过电磁场仿真工具（如FEA/MoM）来预测和定位辐射热点，并提出了基于滤波和屏蔽的辐射抑制设计方案。 第八章：先进的电源/信号共存技术 在多电压域和高密度封装中，电源网络与信号网络之间的耦合日益显著。本章探讨了电源平面噪声（PDN Noise）如何通过电磁耦合影响敏感信号的质量。分析了不同电压域之间的串扰机制，并介绍了隔离技术，例如使用隔离槽（Isolation Trenches）和优化电源/地平面的交叉区域布局。此外，还讨论了如何在高频、高密度设计中平衡信号隔离与电源回路的低阻抗要求。 第三部分：仿真、验证与设计流程 第九章：高级仿真工具与模型验证 本章侧重于实际设计流程中的工具链应用。详细介绍了S参数和T参数在频域和时域分析中的应用，以及如何利用这些参数对复杂的互连进行建模。讨论了IBIS（I/O Buffer Information Specification）和Touchstone格式在设计验证中的作用，并强调了模型准确性对仿真结果可靠性的决定性影响。重点介绍了如何进行“前仿真”（Pre-layout Simulation）和“后仿真”（Post-layout Simulation）的流程管理，确保设计迭代的效率。 第十章：设计规则检查（DRC）与物理实现中的约束 本章将理论知识转化为可操作的物理约束。系统梳理了在布局布线阶段必须强制执行的SI/PI设计规则，包括最小耦合距离、最大过孔数量限制、电流回流路径的闭合要求等。阐述了如何将目标阻抗和目标PDN阻抗要求转化为EDA工具中的设计约束，并在物理实现阶段进行自动化检查和修正，以确保最终的硬件性能符合预期指标。 本书的特点在于融合了理论的深度和工程实践的广度，通过大量的实例分析和行业标准引用，为读者提供一个全面掌握现代高性能处理器系统中信号与电源完整性设计的知识体系。

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作为一名长期在FPGA领域摸爬滚打的工程师，我对于各类时钟管理的设计需求可谓深有体会，这本书的出现简直是雪中送炭。市面上很多教材侧重于通用微处理器的架构，却常常对底层时钟脉冲生成和分配的精细控制语焉不详。然而，这本书却将时钟发生器放在SoC设计的核心地位进行系统梳理。我尤其欣赏作者在讲解混合信号设计对时钟性能影响的部分，作者没有回避这个工程上的痛点，反而深入探讨了如何通过优化布局布线和电源隔离技术来最小化串扰。书中对数字锁相环（DPLL）和模拟锁相环（APLL）的对比分析尤其犀利，指出了各自在快速启动时间和噪声抑制方面的优劣势，这对于需要在快速唤醒和高精度同步之间做取舍的SoC设计人员来说，是极具指导意义的。它不仅仅是一本技术手册，更像是一份资深专家多年踩坑总结出来的“避雷指南”。

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坦白说，我最初拿到这本书时，只是想找一本关于SoC基础知识的快速入门读物。然而，我很快发现自己低估了它的份量。这本书的架构设计，尤其是对时钟域同步和跨时钟域握手机制（CDC Handshaking）的深入探讨，远远超出了我对“时钟发生器应用”的传统理解。它真正关注的是如何利用高质量的时钟源来支撑整个SoC系统的稳定和高效运行。作者将时钟视为整个系统性能的“血液循环系统”，对任何局部问题（如PLL环路带宽不当）可能引发的系统性崩溃进行了深入的因果分析。这种系统性思维，而非仅仅关注单个模块的设计，是这本书最深刻的贡献。它迫使读者从全局视角去审视时钟设计的每一个决策，这对提升整体系统可靠性具有不可替代的作用。

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这本关于片上系统（SoC）处理器中时钟发生器应用的专著，从一个业余爱好者的角度来看，其深度和广度都令人赞叹。我原本对SoC的时钟设计只是停留在“有一个振荡器提供脉冲”的模糊概念上，但阅读这本书后，我才真正领悟到时钟树的复杂性和精妙之处。书中详尽地剖析了从底层的晶体振荡器到复杂的频率合成器（PLL/DLL）的每一个环节，让我这个门外汉也能理解为什么在高性能计算中，时钟抖动（Jitter）会成为一个如此关键的性能瓶颈。特别值得称赞的是，作者并没有仅仅停留在理论的阐述，而是通过大量的实例——比如如何设计一个低功耗的时钟门控机制，以适应移动设备的需求——将抽象的概念具象化。那种对细节的执着，例如对电源噪声如何影响时钟纯净度的分析，着实体现了作者深厚的实践经验。读完后，我感觉自己对现代处理器架构的理解又上升了一个台阶，明白了为什么同一款SoC，在不同频率和电压下性能表现迥异的内在原因，这无疑是一本极具启发性的参考书。

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这本书的叙事风格非常独特，它不像一本传统教科书那样刻板教条，反而带有一种深入浅出的引导性。我一开始担心专业术语太多会让我望而却步，但作者巧妙地将复杂的时钟域交叉（CDC）问题与时钟生成器的时序约束结合起来讨论，使得原本晦涩的同步机制变得更容易被接受。例如，书中用一个生动的比喻解释了相位噪声对系统性能的累积效应，让我对“时钟纯净度”这个概念有了直观的感受。更让我感到惊喜的是，作者还涉及了后期的调试和验证策略，详细介绍了使用高精度示波器和逻辑分析仪来捕捉和分析时钟异常波形的方法论。这表明作者的视野不仅限于设计，更延伸到了整个产品生命周期，这种全面的视角对于工程实践者来说价值无可估量，它真正教会了我如何“看懂”时钟信号的“语言”。

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对于那些正在进行或计划进行定制化SoC开发的团队而言，这本书的价值体现得淋漓尽致。它提供了一个超越标准IP核使用手册的框架性知识体系。我特别关注了其中关于多频点、多电压域时钟管理的部分，这在当今异构计算架构（如CPU、GPU、DSP混合体）中是无法回避的难题。作者详尽地描述了如何构建一个层次化的时钟域结构，并确保在频率切换和模式转换过程中满足严格的动态功耗和时序裕度要求。书中对先进工艺节点下，由于晶体管尺寸缩小带来的亚阈值漏电和工艺变异对振荡器稳定性影响的讨论，更是体现了其与时俱进的专业性。这种对前沿挑战的直面和解决思路的梳理，使得这本书成为了一个高阶设计团队必备的案头工具。

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