Độ Trễ Lan Truyền trong Xử Lý Dữ Liệu Tốc Độ Cao là gì?

Đôi khi tôi tham gia vào các cuộc trò chuyện qua tin nhắn với bạn bè mà trở nên hoàn toàn lộn xộn. Việc đặt ra năm câu hỏi qua lại trong một tin nhắn duy nhất quá dễ dàng, và việc cố gắng trả lời mọi thứ khiến chuỗi tin nhắn của chúng tôi trở nên hoàn toàn không đồng bộ. Phải mất ba tin nhắn sau tôi mới thực sự trả lời mọi thứ bạn tôi hỏi, và đến lúc đó chúng tôi đã chuyển sang một chủ đề hoàn toàn mới.

Độ trễ tín hiệu giữa các mạch logic trong một PCB hoặc một IC không phải là điều bạn thường cần phải suy nghĩ cho đến khi bạn làm việc với một hệ thống tốc độ cao. Khi tốc độ dữ liệu và dung lượng trong PCB tiếp tục tăng lên, việc tính toán độ trễ trở nên quan trọng để đảm bảo dữ liệu số được đồng bộ hóa trong toàn bộ hệ thống của bạn.

Đánh giá Độ Trễ Truyền Dẫn

Nếu bạn chưa quen với độ trễ truyền dẫn (được gọi một cách phù hợp hơn là độ trễ truyền tải) trong PCB, tôi sẽ giải thích ở đây. Một tín hiệu số cần một lượng thời gian nhất định để di chuyển giữa hai điểm trên một PCB. Nếu bạn đang cố gắng giữ cho nhiều tín hiệu trong một mạng lưới hoặc trong toàn bộ hệ thống được đồng bộ hóa, thì bạn cần đảm bảo rằng các tín hiệu đến các điểm khác nhau trên bo mạch của bạn đồng thời.

Lưu ý rằng độ trễ lan truyền trong trường hợp này ám chỉ độ trễ truyền dẫn cho các tín hiệu di chuyển giữa hai điểm trên một PCB. Điều này không nên bị nhầm lẫn với định nghĩa về độ trễ lan truyền mà bạn sẽ tìm thấy trong sách giáo khoa điện tử số.

Nếu các tín hiệu không đồng bộ, tỷ lệ lỗi bit trong hệ thống của bạn có thể tăng lên. Khi xử lý dữ liệu số theo cách song song, các tín hiệu trong mạng của bạn phải được đồng bộ hóa, do đó bạn nên khớp chiều dài của tất cả các đường dẫn trong mạng của bạn với chiều dài của đường dẫn dài nhất. Việc bù trừ độ lệch cũng rất quan trọng trong việc định tuyến cặp vi sai. Uốn lượn là cách tốt nhất để áp dụng độ trễ nhẹ cho các đường tín hiệu trong khi duy trì trở kháng.

Các tín hiệu trong các hình dạng đường dẫn khác nhau sẽ trải qua độ trễ lan truyền hơi khác nhau. Nếu bạn đang làm việc với một bảng điều khiển trở kháng, công thức cho độ trễ lan truyền sẽ tương đối đơn giản và sẽ phụ thuộc vào hằng số điện môi tương đối của chất nền bảng mạch. Khi làm việc với các hệ thống ~100 Mbps hoặc cao hơn, bạn sẽ cần phải xem xét độ trễ lan truyền trên toàn bộ bảng mạch của mình, và việc sử dụng thiết kế kiểm soát trở kháng là một ý tưởng tốt.

Hãy chắc chắn rằng phần mềm thiết kế PCB của bạn có các công cụ phân tích bạn cần

Độ Trễ Lan Truyền và Độ Lệch trong Xử Lý Dữ Liệu Song Song

Khi xử lý dữ liệu song song, lỗi dữ liệu bổ sung có thể tích tụ nếu độ trễ lan truyền giữa các bit không được bù đắp đúng cách. Các song song cụ thể trong một mạng có thể yêu cầu độ trễ lớn hơn nếu đầu ra từ các bit ít quan trọng hơn xác định các bước xử lý áp dụng cho các bit quan trọng hơn.

Xét như một ví dụ, suy nghĩ tổng quát này có thể nghe có vẻ lạ, nhưng hãy lấy ví dụ sau. Giả sử bạn đang thiết kế một bộ cộng ripple carry để sử dụng trong một PCB hoặc trong một IC. Thiết bị này cơ bản là một chuỗi các bộ cộng 1-bit xử lý các bit đầu vào một cách song song. Các bit tạo nên hai số kỹ thuật số cần được thêm vào phải được nhập vào mỗi bộ cộng một cách song song, và mỗi bộ cộng có thể tạo ra một bit carry.

Bộ cộng cho LSB sẽ xuất ra một bit carry cho bit lớn tiếp theo, và cứ thế lên đến MSB. Đầu ra từ LSB đến bit cao hơn tiếp theo sẽ trải qua một số độ trễ lan truyền. Bạn cũng cần phải tính đến tổng độ lệch do thời gian tăng của các cổng logic trong mỗi bộ cộng. Bit carry và các bit đầu vào trong mỗi bộ cộng cần phải giữ đồng bộ, và độ trễ lan truyền và độ lệch tích tụ trong bit carry yêu cầu rằng các bit đầu vào ở các chữ số cao hơn phải được trì hoãn một chút.

Tổng độ trễ giữa mỗi chữ số bằng với độ trễ lan truyền cho tín hiệu di chuyển giữa các bộ cộng, cộng với gấp đôi thời gian tăng của toàn bộ mạch logic trong các bộ cộng (giả sử cả hai bộ cộng đều thuộc cùng một gia đình logic). Khi bạn chỉ làm việc với một vài bit ở tốc độ thấp, điều này sẽ không làm mất đồng bộ tín hiệu giữa các bit. Nhưng khi bạn làm việc với, ví dụ, các số 32-bit ở tốc độ 1 Gbps hoặc cao hơn, độ trễ trên bit nhớ khi đạt đến MSB sẽ lớn hơn 32 lần so với độ trễ lan truyền nhớ giữa các bộ cộng liền kề.

Đây là một độ trễ rất đáng kể có thể làm mất đồng bộ dữ liệu trên toàn bộ cộng. Để bù đắp độ trễ trên dữ liệu đầu vào cho các bộ cộng với các chữ số cao hơn, bạn thực sự cần phải thêm một số độ trễ vào các bit đầu vào đạt đến mỗi bộ cộng. Các bit cao hơn liên tiếp sẽ yêu cầu nhiều độ trễ hơn.

Cách dễ nhất để thực hiện điều này là làm cho các đường dẫn dẫn vào các bộ cộng cho các chữ số cao hơn uốn lượn. Điều này sẽ bù đắp cho độ trễ lan truyền và sự lệch pha tích lũy trong bit nhớ. Các chữ số cao hơn yêu cầu một độ trễ lớn hơn, nhưng cặp bit đầu vào cho bộ cộng vẫn phải được đồng bộ hóa. Cách dễ nhất để áp dụng độ trễ này là làm cho các cặp đường dẫn dẫn vào mỗi bộ cộng uốn lượn. Hãy chắc chắn để dành một khoảng không gian thêm giữa các cặp đường dẫn cho mỗi bộ cộng khi áp dụng sự uốn lượn.

Đảm bảo bạn có thể tin tưởng vào kết quả mô phỏng của mình

Lưu ý rằng những vấn đề với việc trì hoãn sự đến của các bit liên tiếp không chỉ áp dụng cho bộ cộng. Chúng thực sự áp dụng cho bất kỳ mạch logic nào cho xử lý song song, nơi đầu ra từ việc xử lý một bit được sử dụng làm đầu vào cho việc xử lý bit tiếp theo.

Các thành phần (ví dụ, FPGA) có thể được sử dụng cho xử lý song song có thể có cấu trúc dây trễ tích lũy độ trễ nhớ giữa các bit liên tiếp. Các giá trị này có thể đạt tới hàng chục picosecond cho mỗi bit. Khi bạn làm việc với các số lượng lớn ở tốc độ cao, các bit ở các chữ số cao hơn có thể trở nên không đồng bộ với LSB. Nếu bạn đang thiết kế theo các tiêu chuẩn cụ thể yêu cầu tỷ lệ lỗi bit thấp, việc bù đắp độ trễ trên các đường dây tín hiệu đầu vào là một giải pháp đơn giản để ngăn chặn lỗi bit.

Vậy làm thế nào để bạn đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong hệ thống số tốc độ cao tiếp theo của mình ? Bạn cần những công cụ định tuyến giúp dễ dàng bù đắp độ trễ giữa các thành phần trên PCB của bạn. Các công cụ định tuyến và mô phỏng tiên tiến trong Altium Designer^® có thể giúp bạn tránh được các vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu và giữ tỷ lệ lỗi bit thấp.

Bây giờ bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí và tìm hiểu xem Altium có phải là lựa chọn đúng cho bạn không. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.