一、何為讀、寫分離？

    讀、寫分離是指在對雙向傳輸?shù)男盘柧€進行電氣參數(shù)測試時，通過手段識別讀信號和寫信號，從而針對性的測試讀、寫兩個條件下的電氣參數(shù)。

二、為何讀、寫分離？

   2.1芯片之間的通訊，可以劃分為：發(fā)送端、鏈路、接收端。電氣參數(shù)測試應(yīng)在接收端抓取信號，從而判斷其電平以及時序參數(shù)是否滿足接收端芯片的要求。例如：芯片A、B之間通訊，從芯片A的視角出發(fā)，信號流向A->B即寫信號，應(yīng)是在靠近B端測試，而信號流向A<-B即讀信號，應(yīng)在靠近A端測試。所以讀信號和寫信號的測試點選擇是不同的。尤其對于高帶寬的通訊總線，對于測試點的要求非常嚴(yán)格。

    當(dāng)然有些時候在難以確定鏈路情況時，也會選擇在發(fā)送端測試電氣參數(shù)。例如：USB、HDMI輸出接口等。當(dāng)設(shè)備包含這類輸出端口時，因為實際使用場景未知，所以只能以發(fā)送端的電氣參數(shù)來要求設(shè)備輸出的信號質(zhì)量。因此對于一條通訊總線（尤其是高速串行接口），其完整的電氣參數(shù)要求通常包括：發(fā)送端信號質(zhì)量、鏈路S參數(shù)、接收端信號質(zhì)量，以此來約束每個環(huán)節(jié)。

    2.2對讀、寫操作的電氣參數(shù)要求不同。從信號電平參數(shù)看，信號在經(jīng)過走線或線纜后必然會產(chǎn)生衰減，當(dāng)然為了改善這一問題，發(fā)送端和接收端的預(yù)加重和去加重是一個廣泛使用的辦法，但從信號本身來看發(fā)送端的電平幅值必然會更高，所以各個接口協(xié)議在對發(fā)送端和接收端的電平要求是不同的。

三、如何讀、寫分離？

    既然讀、寫分離是針對雙向傳輸信號線測試的先決條件，那么下面舉幾個常見通訊信號電氣參數(shù)測試中的例子，大家可以體會一些基本的思路。

3.1 對于DDR系列

? DDR2

1、DQ和DQS信號的對齊方式不同，讀數(shù)據(jù)時兩者邊沿對齊，寫數(shù)據(jù)時兩者中央對齊。如下圖，Read data 部分DQ和DQS波形在時間軸上幾乎重合的，而Write data 部分可以明顯觀察到兩者波形存在時延，因為在寫數(shù)據(jù)時是在DQS的上下邊沿過零點采樣，所以如果數(shù)據(jù)要有充分的建立/保持時間，就需要采取這種中間對齊的方式。

2、DQ和DQS的信號幅度不同，假定讀、寫發(fā)送端的信號幅度相同，那么在靠近內(nèi)存顆粒端，寫操作的信號幅度要小于讀操作的信號幅度，而在靠近內(nèi)存控制器端，前者大于后者，這是因為信號經(jīng)過走線后必然產(chǎn)生衰減，如上圖就是在內(nèi)存顆粒端測試到的讀、寫信號波形，可以看出在幅值上有明顯差異。

3、DQS信號的前導(dǎo)負(fù)脈沖寬度不同，讀操作的一個負(fù)脈沖寬度參數(shù)tRPRE約為Tck，寫操作的一個負(fù)脈沖參數(shù)tWPRE寬度大于0.35Tck，但通常從實測波形中觀察tRPRE是明顯大于tWPRE的，因此也可以作為一個輔助判據(jù)。

?DDR3

 對于DDR3，對齊方式和信號幅度的規(guī)律和DDR2相同，但是DQS前導(dǎo)波形有變化，如下圖，對于寫操作，前導(dǎo)是正脈沖和負(fù)脈沖的組合，對于讀操作，前導(dǎo)是單一負(fù)脈沖。因此從DQS前導(dǎo)波形來對DDR3進行讀、寫分離是很簡單明了的。

實測讀、寫操作時的DQS前導(dǎo)波形如下，其中通道M3是DQ，M4是DQS：

?DDR4

   對于DDR4，對齊方式和信號幅度的規(guī)律和DDR2、DDR3相同，但是DQS前導(dǎo)波形在讀、寫操作時不存在明顯差別，所以不能作為讀、寫分離的判據(jù)。

實測讀、寫操作時的DQS前導(dǎo)波形如下：

    綜上所述在使用示波器測量各版本DDR的讀、寫參數(shù)時，首先要根據(jù)讀、寫時DQS的不同波形特征來設(shè)置觸發(fā)條件，從而過濾出讀或者寫波形，再進行參數(shù)測試。

3.2 對于I2C

    I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，只需要兩條信號線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息，使用非常廣泛。I2C數(shù)據(jù)的傳輸格式如下：

    在起始條件“S”后發(fā)送從機地址，該地址共有 7 位，緊接著的第8位是讀寫位“R/W—”，該位為0表示寫操作，為1表示讀操作；ACK是應(yīng)答信號，為0表示寫未應(yīng)答，為1表示應(yīng)答；之后跟著若干位DATA信號；末尾處由主機產(chǎn)生的停止位“P ”。當(dāng)然針對I2C有一系列的電氣參數(shù)要求，但針對主機和從機是完全不同的，例如：測試主、從兩端的數(shù)據(jù)建立時間tsu:dat和保持時間thd:dat參數(shù)時，需要分別在讀、寫操作中抓取對應(yīng)的DATA信號波形，如下以紅色邊框標(biāo)注。

    如果I2C總線上掛了多個從設(shè)備，需要根據(jù)各設(shè)備的地址來區(qū)分當(dāng)前的通訊是從設(shè)備中的哪一個，目前很多智能示波器配備了“I2C觸發(fā)”方式，以此進行讀、寫信號分離，再進行參數(shù)測試。如下圖是SDS3000X操作，很便捷:

    進入Setup界面后，設(shè)置SDA和SCL對應(yīng)的通道，設(shè)置觸發(fā)類型為Addr，設(shè)置地址信號格式：二進制或者十六進制，選擇設(shè)置觸發(fā)的地址是否包含“讀/寫”位，若在“Include R/W Bit”勾選框打“√”則不需要在下面的“Direction”下拉框里選擇Write或Read，反之，需要設(shè)置。選擇地址信號bit位數(shù)和觸發(fā)地址，若在“Include R/W Bit”勾選框打“√”此處填寫的Address地址應(yīng)為8Bits，包含“讀/寫”位，反之，僅需設(shè)置7bits，設(shè)置信號格式是否包含Ack。

    如下圖是一段實測的I2C波形，從示波器中顯示的解碼信息可以明確得知，當(dāng)前通訊的從設(shè)備地址以及讀、寫的數(shù)據(jù)具體是什么，一目了然。

3.3 對于SD-card

     SD-card因為體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可熱插拔等特性，廣泛應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，例如：數(shù)碼相機、多媒體播放器、智能手機等。SD-card的各引腳定義如下：

    從引腳定義也可以看出，SD-card可以工作在兩種模式：SD模式或者SPI模式，因為工作在SPI模式時數(shù)據(jù)線為單向傳輸，并不需要讀、寫分離，下面主要講述SD模式時的分離方法。

     數(shù)據(jù)傳輸格式如下圖，分別是讀、寫操作時CMD和DATA信號線的狀態(tài)，大體說是host向SD-card發(fā)送command命令字，然后SD-card發(fā)出response響應(yīng)字，之后進行data block數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后再進行一次command和response操作。圖片

SD-card的讀、寫分離與I2C的操作有所不同，主要有兩點：

    目前市面上的示波器很多配備了“I2C觸發(fā)”模式，但沒有SD觸發(fā)模式，因此針對SD-card的電氣參數(shù)測試無法通過示波器現(xiàn)有的觸發(fā)模式進行。

    I2C是通過“R/W”標(biāo)志位來區(qū)分讀寫，而SD-card需要通過command命令字來區(qū)分，更加復(fù)雜?；谝陨蟽牲c，在此特別將SD模式下的操作方法做以描述。

    因為讀、寫分離需要使用command命令字，所以先了解該字段的格式和內(nèi)容。該字段共48bits，讀、寫分離主要用到command index中的內(nèi)容，該段內(nèi)容對應(yīng)不同的操作命令。

   如下是和讀、寫相關(guān)的4個命令，其中CMD17、CMD18是讀操作，而CMD24、CMD25是寫操作，在進行讀、寫分離操作時，就是根據(jù)該字段的不同來設(shè)置用于觸發(fā)的二進制序列。

觸發(fā)二進制序列以起始位“01”和command index組成，如下：

    前面也已經(jīng)說到示波器并沒有SD觸發(fā)模式，此處可以使用具有“SPI觸發(fā)”模式的示波器，只需要進行相應(yīng)的配置。如下圖，選擇“SPI”觸發(fā)，C1通道為待測DATA信號，C2通道為CMD信號，C3為CLK信號，因為SPI信號中有個CS信號，但SD-card并沒有該信號，所以將設(shè)置中的CS設(shè)置為低電平有效，通道為C4，實際上示波器的C4通道是懸空的，因此恒為低電平，也等效于設(shè)置為CS持續(xù)有效。CPHA=0，CPOL=0，之后在觸發(fā)序列中輸入相應(yīng)的二進制。在此有一個需要注意的情況，雖然SD-card協(xié)議中說明command是以“01”起始，但實際上在“01”之前可能存在若干個高電平，因此在測試時還是需要觀察實際波形，判斷高電平的位數(shù)，并增加在觸發(fā)序列中。如下圖是以CMD25觸發(fā)寫操作，放大波形后發(fā)現(xiàn)前面有2bit“1”，因此將觸發(fā)序列修改為“1101011001”，從而完成對于寫操作的觸發(fā)設(shè)置。之后即可開始對波形進行電氣參數(shù)測試，如：數(shù)據(jù)信號的建立/保持時間。使用不同的觸發(fā)序列抓取不同命令的讀、寫波形即可完整測試讀、寫兩端的參數(shù)測試。

   以上針對I2C和SD-card的測試需要用到示波器的 “I2C觸發(fā)”和“SPI觸發(fā)”方式，所以選擇一款具備該功能的示波器是必要的，鼎陽科技的SDS3000X系列示波器配置了豐富的觸發(fā)和解碼功能，在相關(guān)測試中得心應(yīng)手。

四、結(jié)語

    針對某一通訊接口的讀、寫分離，往往是開始電氣參數(shù)測試時的一個環(huán)節(jié)，因此掌握其方法尤為重要，可以這樣說：“如果沒有準(zhǔn)確的進行讀、寫分離，測試結(jié)果本身是無效的?！北疚闹饕v述了DDR、I2C、SD-card電氣參數(shù)測試中的讀、寫分離過程，選這幾個接口是因為它們都很常用而且有一定的代表性，希望通過本文可以使大家認(rèn)識到該環(huán)節(jié)的重要性以及進行讀、寫分離的大體思路。

該文章來源于“鼎陽硬件設(shè)計與測試智庫”。