维普资讯 http://www.cqvip.com CN431 25 8/ TN 计算机工 程与科学 1 999年第 21卷第 2期 CMOS/TTL/ECL混 合 电路 系统 及其 信号 传输 CMOS/TTL/ECL Hybri d Ci r cui tSyst ems and Thei r Si gnalTransm i ssi on 胡 军 彭 心炯 HuJu — na — ndPe n ' g mj  ̄ i 0D g . r P了8 (国 防 科 技 大 学 计 算 机学 院 ) (SchoolofCom put er Sci ence, Nati onalUni versi ty ofDefense Technol ogy) 摘 要 本文 说 明 j某 些 高速 计 算 机 糸统 中 采 用 CMOS/ TTL/ ECL混 合 电路 系统 的 原 因 。研 究表 日 月, 其 中 的信 号 传 输 比 单 一 电路 类 型 电路 系统 的 困难 。 为 了减 少功 耗 和 电源 电压 的种 类 , 系统 中可 以 采取 一 系列 特 殊 措 施 。 ABSTRACT Thi spaperexpl ai nsther easons whyCM OS/TTL/ECL hybri d ci r cui t system s exi st i n some hi gh— speed com puters.O urresearch shows thatthei r si gnaltrans— missi on 1 s m ore di ffi cuh than that of ci rcui t system s i n w hi ch there i s onl y one f am i l y. W e m ay use sor tie speci alm eans to decrease power di ssi pati on and t he vol tage t ypes of 印 er p s up i n these syst m s , 关键词 龟苎对算机机,电电路路系 系统 统, ,世 笆 。 c H 。 , T T L 旃绀司 。 c ’T T L K E YWO R D Sm s p e e。 mp一c i r c u i t s y s t e m,g n at r a n  ̄ mi ] s i  ̄ n . 关键词 E__ § 屯} ÷ , . 目前需 要 多种 电 路混 合使 用 由 于 ECL 电路 的 速 度 很 高 ,传统 的流 水 线 超 级 计 算 机 几 乎 都 用 它来 构 成 主 机 。当 用 微 处 理 器 来构 成大 规模 并行 超级 计 算 机 时 ,情 况 就 有 了变 化 。 构 成 高速 计 算 机 系 统 的 微 处 理 器 采用 CMOS工 艺 。由于 工 艺 水 平 不 断 提高 ,内 部 工 作 频 率 一般 都超 过 了 100MHz,最 高 已达 到 600MHz,甚 至 要 突 破 1 000MHz大 关 。采用 同 样 的 工艺 , 系统 的 外 围 配 套 电 路 原 则 上 也 可 以在 同样 的工 作 频 率 下 工 作 。但 是 ,由 于 常 规 CMOS电 路 有较 大 的逻 辑摆 幅 ,上 升下 降 时 间 较 大 ,根 本 无 法直 接 在 这 样 的 频 率 下 进 行 通 信 。即 使 采 用 3 V 低 电压 CMOS,在这 样 的频 率下 工 作 也 是 很 困 难 的 。只有 当采 用 号传输t 彭心炯,教授.主要研究方向为高逮计 辜算 星机工程实 翁现的 理论与 臻技术 … … … … 信 通 讯 地址 :410073胡南 长沙市 国 防科拄 大学 计算机 学 院 Address: School0f Com put er Sci.、Nat’ 1U nl v.of De[ ense Tech ,Chaagsha,[ - lu ̄ n 410073-P R Chi na 75 维普资讯 http://www.cqvip.com 】v 下 的 逻 辑 摆 幅 和 严 格 的 终 端 并 联 匹配 ,芯 片外 的信 号 传 输 才 可顺 利进 行 为 了 绕 过 这 个 技 术屏 障 , 芯 片外 传 输 采 用 片 内 的 1/2、】/3、… … ,甚 至 更 低 的频 率 。 目前 系 统 局 部 (处 理 机 总 线 )可 达 75M Hz,极 个 别 的宣 称可 达 83MHz,系 统 其 它 部 分 则 在 比这 低 得 多 的 频 率 下工 作 。要 想 全 局 都 在 比 7SM Hz还 高 的 频 率 图 1 混合 电路系统 e e ̄ , j信号连接 下 工 作 ,采 用 混 合 电路 系 统 是 解决 这 一 问题 的重 要方 法 之 一 。也 就 是 根 据 不 同 的 需 要 ,分 别 用 CMOS、LVQ、TTL 和 ECL。此 时 系统 可 能 的 信号 连 接 组 合 如 图 1所 示 。 这 些 电路 有 不 同 的输 出 电平 、 阈值 电平 和 驱 动 能 力 ,使 它 们 之 间 的信 号 传 输 变 得复 杂起 来 。下 面 简 要地 予 以说 明 。 2 CMOS电路 及其 信 号传 输特 点 由于微 处 理 器 均 为 CM OS 电路 ,系 统 中与 之 配 套 而 自行 设 计 的 ASI C当 然应 该 也 是 CMOS,所 这 样 的混 合 系 统 的主 体 是 CM OS。 常 规 CMOS电 路 有 较 大 的逻 辑摆 幅 ,当 采 用 驱 动 阻抗 低 的 传输 线 时 ,如果 终端 并联 匹配 ,则 会有 很 大 的 匹 配 功 耗 。所 以 ,一 般 CMOS电路 都不 用终 端 匹 配 ,而 使 传输 线终 端 开 路 。即 使 如 此 ,当 电路 状 态 改 变 时 ,驱 动 传 输 线 也 有 较 大 的动 态 功 耗 “],这 是 驱 动器 对 传输 线 充放 电所 引 起 的 。为 减 小 这 一 部 分 功 耗 ,要 选 用 尽 量 高 的特 性 阻 抗 。 由于 印制 板 介 质 材 料 的 介 电常 数 、线 宽 和 板 厚 等 的 限制 , 内层 印 制 线 的 特性 阻抗 最 高 也 只能 做 到 501 1左 右 ,表 面 层 可 以 稍 微 高 一 些 。所 以 ,驱 动 印制 传输 线 时 ,始 端 将 有 缓 慢 的上 升时 间 ,终 端 虽 然 好 一 ,上 升 时 间仍 较 大 ,并 使 延 迟 增 加 ,如 图 2( a)所 示 ]。 显然 , CMOS驱 动 传 输 线 时 ,沿 传 输 线 是 不 宜 接 负 载 的 ,只 有 在 终 端 才 有 较 好 的 波 形 。 特 别 是 当 cMOs驱 动 长 的 低 阻 抗 底 板 印 制 线 时 ,由 于 终 端 的 台 阶 又 低 又 宽 ,所 增 加 的 延 迟 十 分 突 出 ,会达 到 无 法 忍受 的 程 度 。所 底 板 线 最 好 采 用 阻 抗适 中 , 与 驱 动 电路 能 较 好 地 匹配 的 传输 线 。对 于大 多 数 CMOS 电路 , 选 用特 性 阻 抗 60 ̄ 801 1的三 扭 线 比较 合 适 , 终端 反射后可得到接近正 常的高 、 低 电平 ,图 2( b) 表 示 了 理 想 的情 况 。 — — — — 一 — 一 、 \ 蛄 端蛀 形 / \ 端 蛀 形 (a) ‘b) 图 2 不 同特性 阻抗 传输 线 的波形 三 扭 线 需 有 两 根 地 线 ,成 本 较 高 ,施 工较 麻 烦 。 因此 ,底 板 线 常 采 用 只 有一 根 地线 的双扭 线 。对于 驱动能力较强 的 CMOS电路来说 .它的特性阻抗显得高 了一些 。在传输 76 维普资讯 http://www.cqvip.com 线 的 终 端 反 射 后 .会 产 生 过 冲 。 长 传输 线 引起 的过 冲 的 持 续 时 间可 以大 于 信号 的持 续 时 间 ,甚 至 影 响 下 一个 时 钟 周 期 的信 号 电平 ,使信 号 幅 度 随 信 号 序 列 的 组 合 状 态 大 幅 度变 化 ,无 法 控 制 。 另外 .过 高 的 过 冲 ,对 终 端 电路 的安 全和 减 小 线 问 串扰 也 是 不 利 的 。所 以 ,此 时 在 驱 动 电路 的输 出端 ,即 传 输 线 的 始 端 可 串接 一 个 阻 值适 当 的 小 电阻 .以控 制 过 冲 的产 生 。严 格 地 说 ,对 不 同的 驱 动 电路 所接 的 电 阻阻 值 应 不 同 .并 对 正 、负 跃 变 的 要 求 也不 相 同 。但 工 程 实 现 时 很难 严 格 做到 ,只 能大 体 上 予 以控 制 。 为 了 减 小 信 号 幅度 以利 于 传 输 ,同 时也 为 进 一 步 减 少 功耗 ,改进 的 CMOS电路 采 用 了 较 低 的 电源 电压 ,目前 多为 3.3V,还 可 以进 一 步 降 低 所 以 常 规 的 5V— CM OS常 与 低 电 压 CMOS同 时使 用于 同 一 系 统 中 。逻 辑 摆 幅 大 的常 规 CMOS电 路 驱 动 低 电 压 CMOS 时 ,除 了始 端 加 串联 电阻 外 ,终 端还 可 加 一个 下拉 电阻 .使 5V— CMOS输 出 逻 辑摆 幅 与 3V— CMOS要 求 的 输 入 电平 相 匹配 。 ’ 低 电 压 LVQ 之 间 的 信 号 传 输 ,虽 然 仍 有 与 常 规 CMOS类 似 的特 点 ,但 由于 信 号 幅 度小 ,情 况 要 好 得 多 。进 一 步 减 少 信号 幅 度 是高 速 CMOS电路 系 统 的 发 展方 向 。 3 时钟 分 配 系统 的 正 电源 ECL 在 高 速 电路 系 统 中 ,一 般 都 要 采用 等延 迟 设 计 来 防止 逻 辑 电路 的竞 争 冒 险 , 每一 时 钟 周 期 中 数据 和 控 制 信 号 最 多变 化 一次 。所 以 ,在 全 系统 中 ,时 钟 信 号 具 有最 高 的翻 转 频率 ;并 且 还 要求 时 钟 脉 冲按 设 计 准时 到 达 各 寄 存 器 ,否 则将 会 减 少 某 些 寄 存 器 之 间 的 工 作 时 间 ,甚 至 可 能 出 现 寄 存 器 的穿 透 现 象 ]。这 也 就 是 说 ,系统 对 其 时钟 分 配 系统 有更 严 格 的要 求 ,一 般 允 许 的时 钟 偏 差应 小于 时钟 周 期 的 5 ,最 多 也不 能超 过 lO ,例 如 时 钟 周 期 为 1Ons,最 大 偏 差 应 小 于 lns。CMOS信 号 有太 的 上升 、下 降 时 间 ,离 散 也 大 ; 传 输线 终端 不 匹配 ,反 射 波 形 难 以控 制 ;负载 电路 输 入 电容 大 ,对 波 形 影 响 也 大 。因 此 . CMOS时 钟 树 经 过 几级 扩 展 后 ,同 级 各路 的渡形 及 延 迟 可 以相 差 很 多 ,根 本 无 法 保 证 做 到 对 时 钟 的 定 时 要 求 。所 以 ,对 于 定 时 要 求 严 格 的时 钟 分 配 系 统需 要采 用 ECL。最 后 一 级 连 接 CMOS寄 存 器 ,还 要 求有 ECL 至 CMOS或 TTL 的 转换 电 路 。 通 常 的 ECL 是 采 用 负 电 源 ,将 电源 正 端 连 接 系 统 中 电位 最稳 定 的 “地 ”,目的 是使 输 出高 、 低 电 平 尽 可 能 地 稳 定 。另外 ,ECL还 需 要 一2 V 的 匹 配 电源 ,以 减 少 匹 配 功 耗 。但 是 ,CMOS用 的 是 正 电源 ,由于 ECL的 使 用 ,增 加 了 系 统供 电的 复 杂 程 度 ,印制 板 设 计 和 加 工 也 复 杂 了 。为 了 简 化 供 电 ,混 合 系统 中 ECL采 用 与 CMOS同样 的 电源 ,成 为正 电 源 的 ECL,即 PECL,并 可通 过 电阻 网络提 供 + 3V 的 匹 配 电源 ,减少 电源 种 类 。但 须 注 意 ,这 个 + 3V 的 匹 配 电源 必 须 具 有 受 流 能 力 。PECI的 信 号 传输 特 大 体 上 与 ECL相 同 ,但 由于 参 考 电平 ( O电平 )不 是 电源 正 端 ,输 出端 射 投 跟 随器 的输 出 电平 强 烈 地 依 赖 于 电 源 ,故 对 电源 的稳 定性 要 求 比 负 电源 ECL 系统 高 得 多 。 ; l 4 TTL电 路 及 信号 系 统 中主 要 的 、重 复 陡好 的 大 块 逻 辑 ,可 以 设 计 成 专 用 集 成 电路 (ASI C)。但 是 还 有 77 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 些 零 散 的 逻 辑 . 由于规 则性 、重 复 性 差等 原 因 不 能 制 成 专 用 集 成 电路 .这 时 需 要 选 用 常 规 的快 速 TTL。 另外 ,时 钟 树 的 最 后 一 级 是 ECL—TTL转 换 器 ,它 要 去 驱 动 CMOS 电路 。所 以 ,混 合 系统 中 还 会 存 在 TTL信 号 TTL 与 5V— CMOS的 输入 、输 出 电平 兼 容 ,一 般 可 以相 互 直 接 驱 动 。但 TTL驱 动 低 电 压 3.3V— CMOS时 ,输 出 高 电 平 偏 高 ,可 在信 号 线 始 端 串接 22n 电 阻 ,并 在 终端 接 330n 电阻 到 地 ,这 样 可 将 稳 定 后 的 高 电平 降 低 至 3.3V 以 下 ,由于 TTL驱 动 的传 输 线 不 进 行 匹配 ,在 时 间要 求 苛 刻 的 系统 中 只 能 一 对 一 传输 .始端 与 终 端 波 形 差 别 很大 。并 且 , 对 于 输 出阻 抗 不 同 的 电路 波 形 也 不 同 ,延 迟 时 间 很 难 控 制 。使 用 时 .如 果 将 电路 输 出 阻 抗 测 试 分 档 ,在始 端 分 别 串接 不 同 阻 抗 的 电 阻 ,可 使 终 端 反 射 后 都 能接 受 正 常 的 电平 。 5 关 于 CMOS电 路 总 线 总 线 是 信 号 传 输 中最 难 处 理 的 。 对 于 ECL 总 线 ,传 输 线 两 端 用 电 阻 并 联 匹配 , 各 ECL驱 动 器 和 接 收 器 (负 载 ) 沿 线 分 布 ,并 要 求 每 个 负 载 形成的分支都 很短。 CMOS电路 的 总 线 在 系 统 中 用 得 很 多 。 与 ECL 总 线 不 同 ,线 的 两端 不 进 行 并 联 匹 配 , 不需 明确 哪 儿 是 始 端 ,哪 儿 是 终 端 。因 此 在 实 际 布线 时 ,常 有 人 为 了方 便 ,将 各 驱 动 器 、接 收 器 (负 载 )连 接 到 印制 板 的 同一个 金 属 化 孔 ,即 “星 形 连 接 ”。表 面 上 看 ,这 样 最 大 线 长 可 能 最 短 ,所 用 金属 化孔 也 最 少 ,似 乎 延 迟 时 间也 最 短 ,但 是 ,实际 上 的 延 迟 时 间会 远大 于 线 的 延迟 时 间 。这 是 由于 信 号 传 至 汇 集点 后 ,接 着 在 汇 集点 、驱 动 点 和 各 负 载 点 之 间要 发 生 一 系 列 复 杂 的反 射 。这 了讨 论 方 便 ,设 汇 集 于一点的各传输线等长, 延迟时间均为T。由于各个负载段反射情 — 况 相 同 ,可 把 它 们共 同看 成 是 一 条 由 N 个 负载 段并 联 而 成 的 传输 线 ,总 的特 性 阻 抗 降 低 到 原 来 的 1/N。当 信 号 自源 端 发 出到 达 汇 集 时 ,入 射 信 号 的 反 射 系 数 应 为 一 ( N一 1)/( N+ 1),各 负 载段 的反 射 信 号 在 汇 集 点 的 反 射 系数 则 为 ( N一 1) /( N+ 1),反射 过 程 可 用作 图 方 法 求 得 n]。在 图 3中 ,驱 动 段 数 为 1,负 载 段 数 为 5,在 交 汇 处 ,驱 动 段 到 负载 段 的反 射 系 数 为 一0.67,并 联 的 负载 段 到 驱 动 段 总 的 等 效 反 射 系数 为 +0.67。根 据 cM0s电路 器 件 的 输 入 特 性 和 输 出 特 性 , 当信 号 幅 度较 小 时 ,端 点 的 反 射 系 数 都 近 似 地 图 3 星形连接的梯格图 为 + 1。 由图 3容 易求 出 ,在 各 负 载 点 将 产 生 具 有 持 续 时 间 为 4T 的很 低 的 台 阶 (高 度 约 为 正 常 幅 度 的 30 ),此 后 还 有 持 续 时 间 为 4T,幅 度 为 正 常 幅 度 60 的第 二 台 阶 。驱 动 信 号 总 共 要 经 过 10T 时 间后 ,负 载 端 才 能 有 正 常 幅 度 9o 的 信 号 。此 段 延迟 时 间 是驱 动 器 到 负 载 的线 延迟 的 5倍 (10T/2T),大 大 增加 了 信 号 的 延迟 时 间 ,出现 了 线 长 度 较 短 的 总 线 延 迟 时 间 反 而 更 长 的现 象 。所 以 ,CMOS总 线 仍 应 以 相 距 最 远 的两 个 负 载 作 为传 输 线 的 两 端 ,其 它 的 负 载 沿 线 分 布 ,并 只形 成 尽可 能 短 的 分 支 。由 于分 支和 负 载 的 影 响 ,总 线 的 等 效 特 性 阻抗 会 下 降 ,并且 增加 延 迟 ]。为 保证 总 线 的 延迟 满 足要 求 ,总 线 长 度 必 须 有 严 格 的 限 制 .并 采 用 特 性 阻 抗 适 当 的传 输 线 。 如 果 线 长 不 能 满 足 要 求 ,则 需要 调 整 布 局 。 对 更 高 频 率 的 总 线 ,需 要 设 计 专 门 的 电路 器 件 。 78 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 关 于电 源 由 于 CM OS和 FTL在 状 态 转 换 时 ,电路 对 传 输 线 和 电容 负 载 充 电 ,电源 需 提 供 很 大 的 短 暂 的 瞬 态 电流 ,会 产 生 大 的 电源 电 压波 动 而 CMOS、TTL 输 出 电平 对 电源 电 压又 比较敏 感 ,特 别 是 采 用 正 电 源 的 PECL,电 源 的 波 动 几 乎 会 全 部反 映在 输 出 电平 上 电源 的 波 动 也 影 响 延 迟 时 间 ,对 定 时 精 度 要 求 很 高 的 PECL, 电源 稳定 性 极 其重 要 。 所 以 ,在 这 样 的 混合 系 统 中 ,对 电源 稳 定 性 和 瞬态 负载 特性 有 高 的 要 求 。大 电容 的 去 耦 元 件是 不 可 少 的 ,它 们 距 离 器 件 电源 引脚 要 尽 可能 地 近 。 为 了 减 小 脉 动 电 流 因 电 源 馈 线 而 引起 的 电 压波 动 ,可 以 采 用 分 布 式 电源 或 分 布 馈 电 方 式 ,例 如 每 块 插 件 由单 独 的 电源 供 电 。 7 结束语 由前 面 的 讨 论 可 见 : (1)超 高 速 计 算 机 中 ,目前 尚需 要 混 合 使 用 CMOS、TTL和 ECL 电路 器 件 ,它 们形 成 了 CMOS/TTL/ECL混 合 电路 系统 ; (2) 混 合 电路 系 统 中 的 信 号 传 输 要 比单 一 系列 电路 的 系 统复 杂 得 多 ; ( 3) 混 合 电路 系 统对 电源 供 电的 要 求 高 , 电源 种 类 多 ,电路 板设 计 也 更复 杂 ; (4)降低 电源 电 压 、减 小 逻 辑 摆 幅 并减 少 电源种 类 ,是 超 高 速 电路 系统 的发 展 方 向 , 也 是解决其信号传输 的重要途径 。 参 1 彭 心炯 胡军 考 文 献 高 速 CMOS电 路 系 统 中 的 动 态 功 耗 及 冷 却 要 求 见 :中 国 计 算 机 学 台 第 四 届 计 算 机 工 程 与 工 艺 学 术 年 会 论 文 集 1995 2 彭 心 炯 .关 于 伯 格 地 图 解 法 的 讨 论 .计 算 机 工 程 与 科 学 t1 982,(1) 3 彭 心 炯 ,胡 军 .超 高 速 时 序 电 路 的 ‘ 穿 连 问题 见: 中 国 计算机 学 台 第四 届计 算机 工 程与 工 艺学术 年 会论 文集 t 1995 4 彭 心 炯 .用 多 重 梯 格 图 ”研 究 不 同 特 性 阻 抗 传 输 线 的 连 接 5 彭 心 炯 .传 输 线 分 支 的 电 容 负 载 效 应 计 算 机 工 程 与 科学 ,19 8o,( 3) 计 算 机 工 程 与 科 学 ,1983 (2) £ 几 [ 差 与 釜 E ^ 79