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Die
Erfindung bezieht sich auf digitale Systeme mit einer oder mehreren
Einheiten, welche digitale Daten durch eine Schnittstelle kommunizieren,
wobei die Schnittstelle für
die Übertragung
digitaler Daten eine oder mehrere Datenleitungen und eine Taktleitung
besitzt, über
welche Taktsignale mit Timinginformation übertragen werden, um von einem
Empfänger
verwendet zu werden, welcher die digitalen Daten von der Schnittstelle
empfängt.
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Herkömmliche
synchrone serielle Hochgeschwindigkeitsbussysteme erfordern ein
Taktsignal, immer wenn ein Austausch digitaler Daten zwischen einem
Datenüberträger und
einem Datenempfänger über die
Schnittstelle getätigt
wird. Die Taktsignale, welche in solchen Systemen verwendet werden,
sind Rechteckwellensignale mit einer Amplitude, die im wesentlichen
der Versorgungsspannung VDD des Systems gleich ist.
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Solche
Rechteckwellensignale verbrauchen viel Energie, und sie enthalten
durch die rechteckige Wellenform des Taktsignals einen erheblichen
Anteil an harmonischen Frequenzen. Die harmonischen Frequenzen können wegen
der elektromagnetischen Interferenz (EMI) Störungen verursachen, und es müssen Maßnahmen
ergriffen werden, um empfindliches Gerät und Komponenten gegen EMI
zu schützen.
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Das
US-Patent Nummer 4,021,740 beschreibt ein Sinuswellentakt-Verteilungsnetzwerk,
d. h. einen Sinuswellensystemtaktgeber. Der Sinuswellensystemtaktgeber
ist durch ein Verzweigungsnetzwerk mit einer Menge von Takttreibern
verbunden, welche sich in der Nähe
von digitalen Schaltkreisen befinden, an welche Taktungspulse geliefert
werden sollen.
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In
der „The
I2C-bus and how to use it (inklusive der Spezifikationen)", Philips Semiconductors, 1995,
wird ein Kommunikationsbus beschrieben, in welchem nur zwei Busleitungen
benötigt
werden, eine serielle Datenleitung und eine se rielle Taktleitung.
Geräte,
welche den Bus benutzen, können
die Rolle eines Master oder eines Slave haben. Der Bus unterstützt Datenraten
von 100kbit/s und 400kbit/s. Entsprechend unterstützt der
Bus Frequenzen von jeweils 100 kHz und 400 kHz. Die Datenrate ist
gleich der Taktfrequenz. Beim I2C-Bus werden Daten erzeugt, wenn
das Taktsignal niedrig ist, und Daten werden gelesen, wenn das Taktsignal
hoch ist. Es werden keine Daten an einer Flanke des Taktsignals erzeugt.
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Ein
typisches bekanntes System wird in 1 dargestellt,
wo ein Master-Integrierter-Schaltkreis (IC) digitale Daten über eine
serielle Schnittstelle überträgt, und
ein Slave-IC die Daten empfängt, welche
vom Master-IC übertragen
werden. Ein Systemtaktsignal wird sowohl dem Master-IC als auch dem
Slave-IC geliefert, und in beiden integrierten Schaltkreisen wird
das empfangene Taktsignal verarbeitet oder wiederaufbereitet, damit
es geeignete Eigenschaften für
die Verwendung im jeweiligen integrierten Schaltkreis hat. Das Systemtaktsignal
kann jedes geeignete Signal sein, wie zum Beispiel eine Rechteckwelle
oder eine Sinuswelle, und jeder der integrierten Schaltkreise führt seine
eigene Verarbeitung des Systemtaktsignals aus. Im Master-IC empfängt die
serielle Schnittstelle das verarbeitete Taktsignal und überträgt das verarbeitete
Taktsignal über eine
Taktleitung mit Timing-Information für die Verwendung im Slave-IC.
Der Slave-IC empfängt
das Taktsignal zusammen mit den digitalen Daten vom Master-IC. Man
sieht, dass der Slave-IC zwei Taktsignale empfängt, das Systemtakt-Signal
und das Taktsignal vom Master-IC. Dies erfordert zumindest einen
Anschluss am integrierten Schaltkreis für jedes Taktsignal. Darüber hinaus
und herkömmlichweise
ist das Taktsignal, welches vom Master-IC zum Slave-IC übertragen
wird, ein Rechteckwellensignal mit einer Amplitude, welche weitgehend
gleich der Versorgungsspannung VDD des Systems ist, was Störungen wegen
der elektromagnetischen Interferenz (EMI) verursachen kann.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, welches
weniger anfällig
dafür ist, Störungen durch
elektromagnetische Interferenz EMI zu verursachen. Es ist auch eine
Aufgabe der Erfindung ein System mit geringerem Energieverbrauch bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System bereitzustellen,
welches weniger Eingangsanschlüsse
oder Pins an den integrierten Schaltkreisen des Systems benötigt.
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Diese
Aufgaben werden von einem System gemäß der Erfindung gelöst, in welchem
der Empfänger
das Taktsignal, welches von der Taktleitung her empfangen wurde,
verwendet, um Timing-Information zu erhalten, um empfangene digitale
Daten zu verarbeiten.
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1 zeigt
ein System nach dem Stand der Technik,
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2 zeigt
schematisch eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung,
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3 zeigt
schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
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4 zeigt
schematisch eine mögliche
Implementierung der Erfindung, und
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5 zeigt
schematisch ein Beispiel der Signalwellenformen in dem System, welches
in 4 gezeigt wird.
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2 zeigt
ein System mit einem Master-Integrierten-Schaltkreis (IC) und einem
Slave-Integrierten-Schaltkreis (IC). Ein Kommunikationsbus mit mindestens
einer seriellen Datenleitung und einer Taktleitung verbindet den
Master-IC und den Slave-IC. Der Slave-IC und der Master-IC tauschen
digitale Daten über
die Datenleitung aus. Der Austausch von Daten kann unidirektional,
nur vom Master-IC als Datenüberträger zum
Slave-IC als Datenempfänger, oder
bidirektional sein, mit einem der ICs als Sender und dem anderen
IC als Empfänger.
Ein Systemtaktgeber erzeugt ein Systemtaktsignal, welches auf die Taktleitung
des Schnittstellenbusses weitergegeben wird, und sowohl der Master-IC
als auch der Slave-IC empfangen
das Systemtaktsignal. Der Master-IC und der Slave-IC erhalten beide
eine Energieversorgungsspannung VDD. Wie gezeigt kann die Energieversorgungsspannung
von einer gemeinsamen Quelle geliefert werden, oder sie kann von
verschiedenen Quellen geliefert werden. Wie in der Lösung nach
dem Stand der Technik aus 1 kann der Systemtakt,
welcher auf die Taktleitung des Schnittstellenbusses geliefert wird,
ein Sinuswellensignal oder ein jegliches stabiles periodisches Signal
mit einer Grundfrequenz der gewünschten
Taktfrequenz sein. Hier wechselt das Systemtaktsignal zwischen zwei
Spannungsstufen mit einer Differenz, die kleiner als die Versorgungsspannung
VDD, vorzugsweise weniger als die Hälfte davon ist.
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Solche
Taktsignale werden hier als „geringschwingende" Signale bezeichnet,
was alle Signale beinhaltet, die ihren Zustand in Stufen wechseln,
welche kleiner als die Versorgungsspannung VDD des Schaltkreises
sind, mit dem sie verbunden sind. Um dieses „geringschwingende" Signal zu verwenden, müssen die
integrierten Schaltkreise das Signal durch Verstärkung und Umformung regulieren.
Ein typisches geringschwingendes Signal kann eine sinusförmige Welle
sein, welche eine Amplitude von VDD/2 hat.
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Im
Gegensatz zu „geringschwingenden" Signalen bezieht
sich „vollschwingend" auf ein Signal, welches
auf gleicher Höhe
wie die Versorgungsspannung der Schaltung, mit der sie verbunden
ist, hin- und herschaltet (= den Zustand verändert). Ein typisches vollschwingendes
Signal ist eine rechteckförmige
Welle mit der Amplitude VDD – die
Flanken eines solchen Signals sind steil und anfällig dafür, Rauschen im System durch
EMI zu erzeugen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 2 benutzt
das System in 3 nicht einen Systemtakt, sondern
einen Taktgenerator, welcher bezüglich
des Master-Ics intern ist. Der interne Taktgenerator generiert ein
Taktsignal, welches ein „geringschwingendes" Taktsignal sein
kann. Das Taktsignal des internen Taktgenerators wird an eine Taktverarbeitungsschaltung,
um für
die weitere Benutzung im Master-IC regeneriert zu werden, und an eine
serielle Schnittstelle im Master-IC weitergegeben. Der Slave-IC
ist in allen relevanten Aspekten dem Slave-IC in 2 identisch,
und der Datenaustausch kann unidirektional ausschließlich vom
Master-IC zum Slave-IC oder bidirektional stattfinden. In dieser
Ausführungsform
wird das Taktsignal als „geringschwingendes" Taktsignal vom Master-IC
durch die Taktleitung des Busses an den Slave-IC übermittelt,
welcher sowohl das Taktsignal als auch digitale Datensignale durch
die Datenleitung des Busses empfängt.
Wie in 2 werden der Master-IC und der Slave-IC beide
von einer Versorgungsspannung VDD versorgt, welche aus einer gemeinsamen
Energieversorgung oder von verschiedenen Energieversorgungen stammen
kann.
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Der
sendende Master-IC und der empfangende Slave-IC können auf
einer Leiterplatte oder auf verschiedenen Leiterplatten angebracht
sein. Die verschiedenen Leiterplatten können in einer und derselben
Vorrichtung mit einem gemeinsamen Gehäuse oder in verschiedenen Vorrichtungen
vorgesehen sein, welche nah bei einander oder in beliebiger Entfernung
voneinander angeordnet sind. In jedem Fall wird es eine Datenkommunikationsverbindung
zwischen dem Sender und dem Empfänger
geben müssen.
Die Datenkommunikationsverbindung kann ein Kabel, eine drahtlose
Verbindung oder jede andere geeignete Verbindung für die tatsächliche
Entfernung sein. In 3a zeigt ein Rahmen 10a, 10b diese
Tatsache an. Ein Teil des Rahmens ist mit gestrichelten Linien dargestellt,
was bedeutet, dass die integrierten Schaltkreise auf einer oder
zwei Leiterplatten in beliebiger Entfernung voneinander angebracht
sein können.
Obwohl es nicht dargestellt ist, gilt dasselbe auch für die Systeme
in 2 und in 4.
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In 4 empfangen
der sendende Master-IC und der empfangende Slave-IC beide ein „geringschwingendes" Systemtaktsignal
SYSCLK, welches intern in jedem der integrierten Schaltkreise verarbeitet
wird. Die Verarbeitung kann Verstärkung und Regenerierung einer
korrekten Wellenform für
die weitere Benutzung in den jeweiligen integrierten Schaltkreisen
umfassen. Die jeweiligen wiederaufbereiteten internen Taktsignale
iclk1 und iclk2 werden an die Schnittstellenschaltungen in den jeweiligen
integrierten Schaltungen geliefert. Die integrierten Schaltungen
werden als geringschwingend getaktete Schnittstellen, LSCI, bezeichnet.
Daten werden zwischen dem Master-IC und dem Slave-IC in einer oder beiden
Richtungen durch einen seriellen Eingangs/Ausgangs (SIO)-Bus mit
n Leitungen ausgetauscht. Das verwendete Protokoll kann Multi-Slave-Architekturen
unterstützen.
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5 zeigt
die Signalwellenformen im System in 4. Die Signalwellenformen
sind nicht notwendigerweise nach derselben Amplitudenskala gezeichnet.
Das Systemtaktsignal SYSCLK ist ein „geringschwingendes" Taktsignal. Zwei
Taktsignale iclk1 und iclk2, welche aus dem externen geringschwingenden
SYSCLK regeneriert wurden, können
verwendet werden, um ein Datenübertragungsprotokoll auf
einer bidirektionalen Leitung(en) SIO durchzuführen. Im Master-IC wird die
steigende Flanke des internen Taktes iclk1 benutzt, um Daten zu
generieren, und im Slave-IC wird die fallende Flanke des internen Taktes
iclk2 benutzt, um Daten abzutasten. Ein solches Protokoll, bei dem
die Daten an einer Flanke des iclk1 vom Sender generiert werden
und vom Empfänger
an der anderen Taktflanke vom iclk2 abgetastet werden, ist sehr
verbreitet. In dem Beispiel, welches in 5 gezeigt
ist, ähnelt
der Systemtakt einem Sinuswellensignal und kann tatsächlich ein
Sinuswellensignal sein. Das Systemtaktsignal SYSCLK hat keine steilen
Flanken und keine abrupten Änderungen
zwischen seinen hohen und niedrigen Niveaus und enthält daher
viel weniger höhere
Oberwellen als ein überlicherweise
eingesetztes rechteckförmiges
Wellensignal. Auch die Amplitude des Systemtaktsignals SYSCLK ist
geringer als die Amplitude der regenerierten internen Taktsignale
iclk1 und iclk2.
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Im
Grunde sind iclk1 und iclk2 unabhängig. Verschiedene Arten von
Taktverarbeitung und/oder verschiedene Implementationstechnologien
der zwei integrierten Schaltkreise können dazu führen, dass die wiederaufbereiteten
internen Taktsignale iclk1 und iclk2 ein erheblichen Phasenunterschied
haben können,
was auch „Versatz" genannt wird, was
möglicherweise
kompensiert werden muss. Wenn der Versatz deterministisch ist, ist
es möglich,
die serielle Schnittstelle mit der seriellen Geschwindigkeit oder Frequenz
wie dem Systemtakt laufen zu lassen. Wenn der Versatz unbekannt
oder schwer abzuschätzen
ist, ist es zu bevorzugen, den Datenkanal bei einer geringeren Taktfrequenz
als dem Systemtakt zu takten, vorzugsweise geringer als die Hälfte der
Frequenz des Systemtaktes.
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Geringschwingend
getaktete Schnittstellen gemäß der Erfindung
erlauben Synchronisationsmethoden, wie sie bei asynchronen Bussen
verwendet werden. Das Abtasten von Daten durch den Empfänger kann
automatisch synchronisiert sein. Im Prinzip weiß der Empfänger nicht, wann die Übertragung
beginnt, und der Empfänger
tastet die serielle Eingangs/Ausgangs (SIO)-Leitung bis zum ersten Übergang
ab, was bedeutet, dass ein Bit erkannt wurde, wonach der Empfänger den
Datenstrom mit der definierten Datenratenfrequenz abtastet. Wenn
die maximale Datenrate im Vergleich zum Systemtakt gering ist, ist
es möglich,
eine Multi-Abtast-Schaltung einzuführen, wobei jedes Datenbit
mehrere Male abgetastet wird, und ein Durchschnittswert zwischen
den Abtastpunkten berechnet wird, um den Wert des Datenbits zu bestimmen.
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Obwohl
nur serielle Datenschnittstellen beschrieben wurden, wird es klar
sein, dass die Erfindung auch in Verbindung mit parallelen Datenschnittstellen
mit entsprechenden Vorteilen verwendet werden kann.
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Es
ist deutlich, dass die Systemschnittstellen in den 2 und 3 weniger
Anschlussverbindungen an den integrierten Schaltkreisen benötigen, als
das System aus dem Stand der Technik in 1. Dies
ist ein Vorteil.
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Taktleitungen,
wie die gezeigten, können eine
Quelle von EMI sein, weil die Leitungen als Antennen fungieren können, die
hochfrequente elektromagnetische Signale ausstrahlen, im speziellen
bei höheren
Harmonischen der Taktfrequenz. „Geringschwingende" Signale im Allgemeinen
und „geringschwingende"-Taktsignale im Speziellen
haben einen reduzierten Anteil von höheren Harmonischen, wobei das
Problem der EMI entsprechend reduziert wird.
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Weiterhin
wird die elektromagnetische Interferenz (EMI) in Systemen, welche
weniger „vollschwingende" digitale Signale
umfassen, drastisch reduziert. Ein abrupter Signalübergang
von einer Stufe zur anderen erzeugt kurze und steile Stromstöße nicht
nur auf den Signalleitungen, sondern auch auf den Stromversorgungsleitungen.
Solche Stromstöße haben
einen erheblichen Hochfrequenzanteil, welcher nicht nur lokale Störungen verursachen kann,
sondern die Störungen
können über Versorgungsleitungen
zu anderen Schaltkreisen verteilt werden, welche dabei vom Rauschen
betroffen werden. Die Benutzung von „geringschwingenden" Taktsignalen auf
den Taktleitungen anstelle von „vollschwingenden" Taktsignalen reduziert
dieses Problem.
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Weil „geringschwingende" Signale eine reduzierte
Amplitude im Vergleich zu herkömmlichen „vollschwingenden" Signalen haben,
verbrauchen sie auch weniger Energie.
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In
kommerziellen Systemen wird geschätzt, dass geringschwingend
getaktete Schnittstellen (lowswing clocked interfaces LSCI) bei
Taktfrequenzen im Bereich von 1 bis 50 MHz mit Datenraten von 0,5
bis 25 Mbit/s betrieben werden können.
Unterhalb dieses Bereichs können
asynchrone Busse bevorzugt werden, weil ein zusätzlicher Taktgeber gespart wird.
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In
Systemen, in denen Einfachheit gefordert ist, sind geringschwingend
getaktete Schnittstellen (LSCI) gut geeignet. Einfachheit bei der
Entwicklung bedeutet auch Einfachheit bei der Systemüberprüfung, was
deshalb zu geringeren Zeiten bis zum Markt führt. Auch unterliegen einfache
Systeme weniger dem Versagen und sind weniger anfällig als kompliziertere
Systeme.
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Geringschwingend
getaktete Schnittstellen haben Vorteile für Anwendungen, bei denen geringer Energieverbrauch
und geringe Kosten wichtig sind. Typische vorauszusehende Anwendungen
umfassen zelluläre
und drahtlose Systeme, Global-Positioning-Systemempfänger (GPS),
Laptop-Computer, Personal Digital Assistants (PDA) und Bluetooth-Sender
und -Empfänger.