原创 EPCS芯片的信号完整性问题

EPCS芯片的信号完整性问题

        问题是针对Cyclone III EP3C系列（之所以不提具体型号，因为问题好像是共性的）。特权同学在使用Cyclone II系列器件时不会出现EPCS控制器下载的下述问题。

        SOPC系统中添加EPCS控制器组件，在flash programmer中同时烧录.elf和.sof到EPCS中。通过JTAG接口进行烧录。遇到的问题和在ourdev论坛讨论得热火朝天的《被Cyclone III搞得死去活来》（http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content_all.jsp?bbs_sn=3928335）一贴基本一样。也难为缺氧小弟了，都大半年了问题依然没有很好的得到解决。不过特权同学也折腾了两个多月，这次不得不解决此问题了，所以一番理论à实践à理论，最后的测试找到了主要问题。

         由于CY3器件的EPCS控制器不像CY2一样自动分配管脚，需要用户手动分配一下。因此，当遇到数次下载不成功的时候，特权同学首先怀疑的是EPCS控制器输出的几个管脚的时序出问题了，于是做了一些比较紧的时序约束。虽然众多资料中没有找到很明白的阐述CY3的EPCS管脚时序关系，但是后来翻看时序图和实际管脚（主要是data和dclk管脚）的输出波形，发现他们存在问题的可能性不大。另外，特权同学还特意测试了EPCS控制器组件不同的驱动时钟下，下载过程中输出的dclk的频率，如表1所示。

表1 SOPC系统中的EPCS控制器的驱动时钟频率与实际EPCS芯片驱动时钟频率的关系

         当特权同学以为是时序出问题的时候，时序约束可能也不太有根据，只是想当然的添加。但是逐渐的降低dclk的频率后，问题仍然没有太多改善。于是，时序问题的可能性需要先被排除了。        

但是，特权同学很意外的发现，下载期间用示波器探头触碰EPCS芯片的data和dclk引脚，下载成功率很高。在查看了《AN523: Cyclone III Configuration Interface Guidelines with EPCS Devices》后，在里面提到的一些需要注意的设计要点中，尤其是Board Design Constraints and Analysis一节中的提到的几个点非常有用。General Board Design Constraints里面提到了走线长度不要超过10 inches，dclk负载电容不可太大啊等等的问题好像都不存在我的板子上。而Signal Integrity Concerns里做了一些有或无终端匹配电阻的测试，结合特权同学之前遇到的示波器探头的事情，感觉这里面很有玄机。

        再于是，特权同学专门拿一块板子来做烧录测试。当时的考虑是这样的，有一块母板，一块子板，母板上除了供电和FPGA芯片外，配置芯片EPCS不焊接，而是把EPCS芯片的管脚全部引出到子板的芯片插座上。其实开始这么做只是想便于后面在dclk和data脚添加匹配电阻。但是没想到的是在不加匹配电阻的时候，每次下载都是成功的，可谓屡试不爽。这时候，基本不用怀疑了，4个信号的飞线其实应该算是很好的“匹配电阻”，而之前示波器探头也多少客串了一回“终端匹配电阻”的角色。

         最后，特权同学为了完全确认这个假想。索性拿掉子板，母板上直接焊接芯片，恢复原来出问题的状况。重新烧录，基本很难成功。于是，请咱的刘工做了一个相当有技术含量的活。如图1所示，在EPCS芯片的2脚（data）和6脚（dclk）与焊盘之间“飞”了一个33R的电阻（推荐时25R，不过手头只有33R的）。

图1

         如此这般之后，再次体会到了屡试不爽的感觉。问题还真出在这里。以往从来对信号终端的过冲睁一只眼闭一只眼，这回是领教了它的厉害了。

         最后，将有或无匹配电阻的dclk和data采样波形“展示”一下。特权同学坚信，示波器也许无法原汁原味的采样到实际电路的波形（探头也是一个“匹配电阻”啊），但是下面的波形至少也是可以说明问题的。

图2 dclk无匹配电阻采样波形

图3 dclk加33R匹配电阻采样波形

图4 data无匹配电阻采样波形

图5 data加33R匹配电阻采样波形