一、何為讀、寫分離？

    讀、寫分離是指在對雙向傳輸的信號線進行電氣參數測試時，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。

二、為何讀、寫分離？

   2.1芯片之間的通訊，可以劃分為：發送端、鏈路、接收端。電氣參數測試應在接收端抓取信號，從而判斷其電平以及時序參數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，信號流向A->B即寫信號，應是在靠近B端測試，而信號流向A<-B即讀信號，應在靠近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格。

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

    2.2對讀、寫操作的電氣參數要求不同。從信號電平參數看，信號在經過走線或線纜后必然會產生衰減，當然為了改善這一問題，發送端和接收端的預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送端的電平幅值必然會更高，所以各個接口協議在對發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，讀數據時兩者邊沿對齊，寫數據時兩者中央對齊。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，因為在寫數據時是在DQS的上下邊沿過零點采樣，所以如果數據要有充分的建立/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、寫發送端的信號幅度相同，那么在靠近內存顆粒端，寫操作的信號幅度要小于讀操作的信號幅度，而在靠近內存控制器端，前者大于后者，這是因為信號經過走線后必然產生衰減，如上圖就是在內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信號的前導負脈沖寬度不同，讀操作的一個負脈沖寬度參數tRPRE約為Tck，寫操作的一個負脈沖參數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。

?DDR3

 對于DDR3，對齊方式和信號幅度的規律和DDR2相同，但是DQS前導波形有變化，如下圖，對于寫操作，前導是正脈沖和負脈沖的組合，對于讀操作，前導是單一負脈沖。因此從DQS前導波形來對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律和DDR2、DDR3相同，但是DQS前導波形在讀、寫操作時不存在明顯差別，所以不能作為讀、寫分離的判據。

實測讀、寫操作時的DQS前導波形如下：

    綜上所述在使用示波器測量各版本DDR的讀、寫參數時，首先要根據讀、寫時DQS的不同波形特征來設置觸發條件，從而過濾出讀或者寫波形，再進行參數測試。

3.2 對于I2C

    I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、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數據的傳輸格式如下：

    在起始條件“S”后發送從機地址，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是應答信號，為0表示寫未應答，為1表示應答；之后跟著若干位DATA信號；末尾處由主機產生的停止位“P ”。當然針對I2C有一系列的電氣參數要求，但針對主機和從機是完全不同的，例如：測試主、從兩端的數據建立時間tsu:dat和保持時間thd:dat參數時，需要分別在讀、寫操作中抓取對應的DATA信號波形，如下以紅色邊框標注。

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

    進入Setup界面后，設置SDA和SCL對應的通道，設置觸發類型為Addr，設置地址信號格式：二進制或者十六進制，選擇設置觸發的地址是否包含“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，需要設置。選擇地址信號bit位數和觸發地址，若在“Include R/W Bit”勾選框打“√”此處填寫的Address地址應為8Bits，包含“讀/寫”位，反之，僅需設置7bits，設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，當前通訊的從設備地址以及讀、寫的數據具體是什么，一目了然。

3.3 對于SD-card

     SD-card因為體積小、數據傳輸速度快、可熱插拔等特性，廣泛應用于各種便攜式設備作為數據存儲介質，例如：數碼相機、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模式時數據線為單向傳輸，并不需要讀、寫分離，下面主要講述SD模式時的分離方法。

     數據傳輸格式如下圖，分別是讀、寫操作時CMD和DATA信號線的狀態，大體說是host向SD-card發送command命令字，然后SD-card發出response響應字，之后進行data block數據傳輸，數據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”模式，但沒有SD觸發模式，因此針對SD-card的電氣參數測試無法通過示波器現有的觸發模式進行。

    I2C是通過“R/W”標志位來區分讀寫，而SD-card需要通過command命令字來區分，更加復雜。基于以上兩點，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容。該字段共48bits，讀、寫分離主要用到command index中的內容，該段內容對應不同的操作命令。

   如下是和讀、寫相關的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，就是根據該字段的不同來設置用于觸發的二進制序列。

觸發二進制序列以起始位“01”和command index組成，如下：

    前面也已經說到示波器并沒有SD觸發模式，此處可以使用具有“SPI觸發”模式的示波器，只需要進行相應的配置。如下圖，選擇“SPI”觸發，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，所以將設置中的CS設置為低電平有效，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，也等效于設置為CS持續有效。CPHA=0，CPOL=0，之后在觸發序列中輸入相應的二進制。在此有一個需要注意的情況，雖然SD-card協議中說明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，并增加在觸發序列中。如下圖是以CMD25觸發寫操作，放大波形后發現前面有2bit“1”，因此將觸發序列修改為“1101011001”，從而完成對于寫操作的觸發設置。之后即可開始對波形進行電氣參數測試，如：數據信號的建立/保持時間。使用不同的觸發序列抓取不同命令的讀、寫波形即可完整測試讀、寫兩端的參數測試。

   以上針對I2C和SD-card的測試需要用到示波器的 “I2C觸發”和“SPI觸發”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和解碼功能，在相關測試中得心應手。

四、結語

    針對某一通訊接口的讀、寫分離，往往是開始電氣參數測試時的一個環節，因此掌握其方法尤為重要，可以這樣說：“如果沒有準確的進行讀、寫分離，測試結果本身是無效的。”本文主要講述了DDR、I2C、SD-card電氣參數測試中的讀、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識到該環節的重要性以及進行讀、寫分離的大體思路。

該文章來源于“鼎陽硬件設計與測試智庫”。