原创 三态总线驱动冲突引发的数据错误

    这是几个月前调试的一个bug。表现为主机向FPGA虚拟的硬盘写入数据时出现数据CRC错误。 riple

    以前在UDMA方式下 riple 也调试过出现数据CRC错误的问题，大致可以分为两类：1. 数据的建立、保持时间有问题；2. UDMA的中止协议处理不当，引发一次无效数据传输，进而导致主机与硬盘计算的CRC结果不一致。 riple

    在SignalTap II下捕获的波形如下，采样周期单位10ns： riple

    该波形显示的是一次主机UDMA写操作数据传输完毕时发生的CRC错误。位于波形右侧的trigger就设定在CRC错误被检出时。在波形开始部分，显示的是该次数据传输最后几个字的传输波形。从光标处可以看出，主机驱动的16位数据毛刺很多，数据的建立时间无法保证。16位信号展开后的波形如下图： riple

    尝试采用逻辑分析仪观察数据总线，发现挂接探头后，问题恶化，波形异常，无法调试。 riple

    只得采用示波器观察部分数据总线，进而发现部分数据总线的电平有问题，主机驱动的0、1信号均无法顺利达到判决电平，存在ramp形式的波形（阶梯状上升或下降）。由此怀疑是设备端PCB的信号完整性或电源完整性有问题，尝试在电源之间加入电容仍然不能解决该问题。解决该的问题似乎只能重新制板。 riple

    在FPGA与PATA数据总线接口之间有串接的匹配电阻。为了进一步确认信号完整性问题，决定在该串联电阻前后观察信号波形。由此导致了该问题的解决。 riple

    通过观察该电阻前后的信号波形，没有发现波形形状上的差异，而发现在该电阻前后存在0.3V的电压差。进一步分析显示，在该电阻上有较大的电流流过，该电流导致了压降。 riple

    在正常的电路中，当主机驱动信号时，FPGA的相应引脚应该处于高阻状态，没有拉电流和灌电流，只有这样才能正确读取主机驱动的信号。但是在当前情况下，原本应该处于高阻状态的FPGA引脚却流过了较大的电流。该现象表明，FPGA内部的三态逻辑存在问题，不能正确产生高阻状态。进一步分析相应的HDL程序，发现在该条件下，确实存在不正确的电路行为，导致高阻状态不能出现在引脚上。修改该问题后，示波器上观察不到异常现象，UDMA主机写传输表现正常。 riple

    导致该问题分析方向错误的一个原因是，该错误电路在某一型号的主板上工作正常，长期测试稳定，与一款SATA桥接芯片连接工作正常，只是在兼容性测试中发现在特定主板上存在该问题。这一现象使我得出了FPGA内部不存在逻辑错误的结论。找到问题原因后，这一现象也得到了解释：由于总线驱动冲突的存在，总线上的电平受到串联匹配电阻的影响，该电阻起到了分压作用（这只是阻抗匹配电阻在该异常条件下的副作用，还起到了限流保护作用），在某些主板上，对PATA接口的驱动电压较高（或者是驱动电流较小），经分压后仍然能够达到正确的判决电平，所以测试通过，在某些主板上，由于南桥芯片的设计不同，驱动电压较低（或驱动电流较大），该问题就表现出来了。 riple

    注：南桥芯片的驱动电流差异应该比较说得过去。驱动电流大的好处是信号边沿较陡峭，上升下降速度快，信号的切换时间较短，相应的数据稳定时间就较长，可以实现更高的数据传输速率。上述没有出现问题的主板型号较老（865的），出现兼容性问题的主板型号较新（915和C61）。 riple