HyperTransport становится одной из самых популярных шин передачи данных от микросхемы к микросхеме. Она обеспечивает гибкую архитектуру соединения, разработанную с целью уменьшить количество шин передачи данных в системе благодаря масштабируемости скорости передачи, удовлетворяющей требованиям различных приложений.
Эта технология применяется для разных приложений — начиная с встроенных систем, персональных компьютеров и серверов и заканчивая сетевым оборудованием и суперкомпьютерами [1]. Поскольку HyperTransport находит применение на все большем количестве платформ, системным инженерам требуются тонкие инструменты для ее отладки и оценки производительности. Во многих случаях для отладки инженеры используют логические анализаторы, которые позволяют захватывать продолжительные сигналы и обладают развитой системой запуска, предоставляющей возможность отслеживать заданные события в потоке данных шины. Одной из самых серьезных задач для инженеров, отлаживающих HyperTransport, является физическое подключение логического анализатора к испытуемой системе. В настоящее время HyperTransport позволяет передавать данные со скоростью 2,4 Гбит/с, и при такой скорости правильное подключение пробников логического анализатора может быть критичным моментом для проведения точных измерений. Такие факторы, как электрическая нагрузка пробника, могут настолько влиять на систему, что в протоколе HyperTransport ошибки начнут происходить исключительно по этой причине. К тому же электрическая длина шлейфа, соединяющего сам пробник с испытуемым сигналом, может ограничивать скорость, с которой логический анализатор захватывает данные HyperTransport, в связи с искажением формы сигнала, возникающим в головке пробника. Эти факторы послужили причиной перехода на более современную технологию пробников.
Исторически соединение логического анализатора с испытуемым сигналом обеспечивалось стандартным разъемом, выполнявшим электрическое и механическое соединение с сигналом. Физический размер самого разъема ограничивал его пропускную способность из-за сравнительно большой электрической длины шлейфа между испытуемым сигналом и схемой, находящейся в головке пробника.
Системы пробников, основанные на использовании разъемов, обеспечивают успешный захват данных на скорости до 400 Мб/с с эквивалентной емкостной нагрузкой в 1,5 пФ. Так как скорость передачи данных по шине HyperTransport перешагнула рубеж в несколько гигабит, использование пробников с разъемами оказалось неэффективным. Безразъемные пробники решили эту проблему. У них нет разъема: он заменен подключением сжимающего пружинного фиксатора, обеспечивающего прямое подсоединение к контактным штырькам на поверхности платы, с которых можно захватить испытуемый сигнал. Это уменьшает электрическую длину шлейфа между сигналом и схемой в головке пробника, сокращая физический размер контактной структуры. Такой новый способ подключения пробников позволяет логическим анализаторам успешно захватывать данные HyperTransport со скоростью до 2,4 Гбит/с с эквивалентной емкостной нагрузкой, сниженной до уровня 450 пФ (рис. 1).
Рис. 1. Компания FuturePlus Systems применила пробники Soft Touch от Agilent Technologies для анализа шины HyperTransport на скорости 2,4 Гб/с
Пробники на основе разъемов
Прежде было достаточно пробников, созданных на основе разъемов и предназначенных для отладки большинства приложений HyperTransport. Однако с увеличением пропускной способности шины до значений свыше 2 Гб/с скорость захвата данных логическим анализатором стала ограниченной из-за паразитных искажений, вызываемых самим пробником. Основное ограничение пробников на основе разъемов — это существующая электрическая длина между сигналом и схемой головки пробника. Она возникает из-за наличия физической структуры самого разъема и представляет собой нежелательный электрический шлейф. Поскольку разъем служит как для электрического соединения пробника с сигналом, так и для механического, он должен быть сравнительно большим, чтобы обеспечивать механическую надежность соединения. И электрический шлейф создает электрическую нагрузку на испытуемый сигнал. К тому же, электрический шлейф, который сигнал проходит на пути к цепи головки пробника, искажает сигнал, отображенный на логическом анализаторе. Это напрямую влияет на качество измерений в связи с тем, что сигнал, который отображается на логическом анализаторе, не соответствует испытуемому. Шлейф самого разъема будет определять нагрузку на испытуемый сигнал и максимальную скорость, которую сможет достичь логический анализатор. В настоящее время пробники на основе разъемов при анализе HyperTransport могут достигать скорости в 400 Мб/с (рис. 2).
Рис. 2.Пробник FS2241 на основе разъема от компании FuturePlus Systems может захватывать данные на скорости до 400 Мб/с. Основное ограничение исходит от физического размера подключаемого разъема
Безразъемные пробники
Самой последней разработкой в пробниках для HyperTransport стала технология безразъемных пробников Soft Touch (рис. 3) от компании Agilent Technologies. При использовании безразъемных пробников дорожки шины HyperTransport выводятся через маленькие контакты, смонтированные на поверхности платы (SMT). Фиксирующий модуль вручную припаивается на поверхность платы с помощью четырех сквозных штырьков. Он сжимает и направляет пружинные фиксаторы Soft Touch к контактным площадкам SMT, обеспечивая электрическое соединение. Поскольку электрическое (пружинные фиксаторы) и механическое (фиксирующий модуль) соединения обеспечиваются разными структурами, то подключаемый элемент должен быть гораздо меньше по размеру. Благодаря этому резистор цепи головки пробника располагается гораздо ближе к испытуемому сигналу. Соответственно, электрическая длина шлейфа между сигналом и резистором головки уменьшается, сокращая тем самым паразитную нагрузку на сигнал и улучшая качество отображения сигнала, захватываемого с помощью пробника. Оба этих фактора приводят к повышению скорости анализа HyperTransport.
Рис 3. Безразъемный пробник FS2243 для отладки HyperTransport от компании FuturePlus Systems использует технологию Soft Touch от Agilent. Она позволяет пробнику захватывать данные со скоростью 2,4 Гб/с а) пробник на основе разъема; б) безразъемный пробник
Как в пробниках на основе разъемов, так и в безразъемных пробниках сопротивление головки одинаковое (226 Ом). Единственное различие — электрический шлейф, возникающий вследствие размеров подключаемого элемента. Это соединение вызывает паразитную емкость и индуктивность, которые нагружают тестируемую систему и снижают пропускную способность пробника. На рис. 4 показаны различия между входным импедансом пробника FS2441 для отладки HyperTransport на основе разъема и пробником FS2443, использующим технологию Soft Touch. На рисунке можно определить эквивалентную паразитную емкость каждого пробника. FS2441 воспринимается системой как конденсатор емкостью 450 пФ. При переходе к другой архитектуре подключения — Soft Touch—емкостная нагрузка уменьшается более чем на 300%. Данный пример также иллюстрирует паразитную индуктивность подключаемого элемента. Паразитная индуктивность и емкость образуют резонанс, мешающий захвату испытуемого сигнала пробником. И на той частоте, на которой происходит данное явление, пробник прекращает наблюдение сигнала, и входной импеданс начинает нарастать. В случае пробника на основе разъема это происходит на частоте 3,5 ГГц, что становится проблемой при передаче данных со скоростью свыше 2,3 Гб/с, так как пробник не захватывает третью гармонику испытуемого сигнала. В результате наступает ограничение пропускной способности пробника. В случае с безразъемным пробником часто- та, на которой происходит вышеописанный резонанс, превышает 6 ГГц, что не оказывает влияния на канал передачи данных HyperTransport со скоростью 2,4 Гбит/с.
Использование пружинных фиксаторов в технологии Soft Touch обладает и другими преимуществами, связанными с механикой. Микрофиксатор оснащен запатентованной головкой в виде короны с четырьмя штырьками, которые проникают сквозь слой окисления и загрязнения на плате. Таким образом, пружинный фиксатор может успешно работать со всеми стандартными вариантами покрытия печатных плат — органическим покрытием или покрытием припоем с выравниванием воздушным ножом (HASL — Hot Air Solder Leveling). Причем для обеспечения надежного соединения не требуется дорогих технологий, таких как покрытие золотом, например. К тому же не нужна дополнительная процедура очистки платы для удаления загрязнения. Это значительное достижение по сравнению с другими способами подключения к плате на основе фиксаторов, такими как эластомер или C-образные пружины, требующие специальных покрытий и предварительной очистки печатных плат.
Рис. 4. Безразъемные пробники снижают паразитную нагрузку, перемещая резистор головки ближе к испытуемому сигналу. Данный график, показывающий входной импеданс при использовании двух различных технологий пробников, иллюстрирует преимущество технологии Soft Touch при отладке шины HyperTransport
В дополнение, каждый подключаемый элемент в технологии Soft Touch — отдельный пружинный фиксатор. Это позволяет достигать большей упругости при подключении. Фиксаторы могут упруго отклоняться от своего стационарного положения по вертикали на величину до 0,03 дюйма из-за разницы в положении соседних фиксаторов, то есть технология Soft Touch обеспечивает надежное электрическое подключение на неплоских поверхностях. Отклонения возникают обычно из-за небольшого числа слоев печатной платы. Обычно для удешевления производства стандартные материнские платы изготавливаются с четырьмя слоями. Так как шина HyperTransport была специально разработана именно для персональных компьютеров, пробник для ее отладки должен по умолчанию обладать возможностью работы на неплоских поверхностях, не требуя дополнительных решений. Пробники с технологией Soft Touch используют одну и ту же систему подключения и модуль механического удержания при работе в любых приложениях. При этом нет необходимости в дополнительных решениях для обеспечения плоской поверхности. Другие технологии подключения к плате на основе фиксаторов (рис. 5), такие как эластомер или C-образные пружины, требуют дополнительных фиксирующих пластин на обратной стороне, подключаемой к плате части пробника, чтобы создать ровную поверхность. Поскольку эти типы присоединяющих элементов обладают гораздо меньшей упругостью (>0,006 дюйма), пользователь должен обеспечить ровную поверхность платы.
Рис. 5. Технология пружинных фиксаторов Soft Touch обеспечивает гораздо большую механическую надежность подключения, чем пробники на основе разъемов. Разъемы, как правило, обеспечивают порядка 50–100 соединений, а подключение по технологии Soft Touch рассчитано как минимум на 500 циклов
Сегодня применение шины HyperTransport в вычислительных системах находит все более широкое распространение, поэтому разработчики цифровых систем применяют в качестве основного инструмента отладки логический анализатор. Чтобы в полной мере использовать его возможности по проведению измерений, следует внимательно отнестись к выбору способа подключения этого прибора к шине HyperTransport. До недавнего времени пробников на основе разъемов для отладки такой шины было достаточно. Однако с переходом HyperTransport на технологию передачи данных со скоростью в несколько гигабит требуется новая технология пробников. С помощью технологии Soft Touch компания FuturePlus System создала пробник, способный захватывать данные шины HyperTransport со скоростью до 2,4 Гбит/с. Подобное прогрессивное решение в технологии изготовления пробников позволило инженерам быстро и успешно отлаживать каналы передачи данных HyperTransport и быть уверенными в используемой технологии подключения пробников.
Автор: Брок Дж. ЛаМЕРЕС (Agilent Technologies)