时序约束之Xilinx IDELAYE2应用及仿真笔记

引言：本文我们介绍下Xilinx SelectIO资源内部IDELAYE2资源应用。IDELAYE2原句配合IDELAYCTRL原句主要用于在信号通过引脚进入芯片内部之前，进行延时调节，一般高速端口信号由于走线延时等原因，需要通过IDELAYE2原语对数据做微调，实现时钟与数据的源同步时序要求。

1. IDELAYE2在SelectIO中的位置

7系列FPGA SelectIO中HR Bank和HP bank中都有IDELAYE2模块，其在SelectIO路径位置如下图所示。

图1：7系列FPGA HP Bank I/O Tile

图2：7系列FPGA HR Bank I/O tile

2. IDELAYE2延迟特性

Kintex-7器件DC and AC 开关特性手册中介绍了IDELAY延迟分辨率及最大工作时钟，如下图所示。

表1：IDELAY延迟分辨率及最大工作时钟

根据上图延迟分辨率，例如当参考时钟为200MHz时，根据公式计算：

平均抽头延迟单位为Tidelayresoluion=1/(32×2×200MHz)≈78ps。

需要说明的一点是：

当抽头系数Tap=0时，输入和输出延迟时间并非为0ps，而是600ps；

当抽头系数Tap=1~31时，TapDelayTime=600ps+Tidelayresoluion*Tap。

3. IDELAYE2原句

在Vivado Language Templates中搜索IDELAY，在Verilog目录中根据工程器件家族Kintex-7选择IDELAYE2原句模板，如下图所示。

图3：IDELAYE2语句模板

   (* IODELAY_GROUP = <iodelay_group_name> *) // Specifies group name for associated IDELAYs/ODELAYs and IDELAYCTRL
​
   IDELAYE2 #(
      .CINVCTRL_SEL("FALSE"),          // Enable dynamic clock inversion (FALSE, TRUE)
      .DELAY_SRC("IDATAIN"),           // Delay input (IDATAIN, DATAIN)
      .HIGH_PERFORMANCE_MODE("FALSE"), // Reduced jitter ("TRUE"), Reduced power ("FALSE")
      .IDELAY_TYPE("FIXED"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE
      .IDELAY_VALUE(0),                // Input delay tap setting (0-31)
      .PIPE_SEL("FALSE"),              // Select pipelined mode, FALSE, TRUE
      .REFCLK_FREQUENCY(200.0),        // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (190.0-210.0, 290.0-310.0).
      .SIGNAL_PATTERN("DATA")          // DATA, CLOCK input signal
   )
   IDELAYE2_inst (
      .CNTVALUEOUT(CNTVALUEOUT), // 5-bit output: Counter value output
      .DATAOUT(DATAOUT),         // 1-bit output: Delayed data output
      .C(C),                     // 1-bit input: Clock input
      .CE(CE),                   // 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
      .CINVCTRL(CINVCTRL),       // 1-bit input: Dynamic clock inversion input
      .CNTVALUEIN(CNTVALUEIN),   // 5-bit input: Counter value input
      .DATAIN(DATAIN),           // 1-bit input: Internal delay data input
      .IDATAIN(IDATAIN),         // 1-bit input: Data input from the I/O
      .INC(INC),                 // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
      .LD(LD),                   // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input
      .LDPIPEEN(LDPIPEEN),       // 1-bit input: Enable PIPELINE register to load data input
      .REGRST(REGRST)            // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
   );

4. IDELAYCTRL原句

IDELAYE2或者ODELAYE2原句例化时，IDELAYCTRL原句也必须例化。IDELAYCTRL通过参考时钟REFCLK来校准IDELAY2每个tap的延时值，减少处理、电压和温度的影响。该模块使用REFCLK时钟精细校准。

   (* IODELAY_GROUP = <iodelay_group_name> *) // Specifies group name for associated IDELAYs/ODELAYs and IDELAYCTRL
​
   IDELAYCTRL IDELAYCTRL_inst (
      .RDY(RDY),       // 1-bit output: Ready output
      .REFCLK(REFCLK), // 1-bit input: Reference clock input
      .RST(RST)        // 1-bit input: Active high reset input
   );

5. IDELAYE2原句工程源码与仿真测试

5.1 开发环境

• 硬件平台：XC7Z035FFG676-2

• 软件环境：Vivado 2017.4

• 仿真软件：Vivado Simulator

5.2 软件代码
    IDELAYE2工程源码：

module IDELAYE2_Test(
   input clk_in_50M, //时钟
   input rst_n,   //复位
   input ld,
   input ce,
   input inc,
   input [4:0] tap_value_in,     //设置延迟抽头系数
   input data_in_from_pins,      //输入Pins数据
   output [4:0] tap_value_out,
   output delay_ctrl_rdy,         //IDELAYCTRL 延迟校准ready信号
   output data_in_from_pins_delay //输出Pins延迟数据
    );
​
wire pll_locked;
wire clk_200M;
wire clk_50M;
wire REFCLK;
wire RST;
​
//IDELAYCTRL 时钟及复位   
assign REFCLK = clk_200M; 
assign RST = pll_locked ? ~rst_n : 1'b1; //复位DELAYCTRL原句
​
// ======== 例化PLL时钟 ========
  clk_wiz_0 pll0
 (
  // Clock out ports
  .clk_out1(clk_200M),     // output clk_out1
  .clk_out2(clk_50M),     // output clk_out2
  // Status and control signals
  .locked(pll_locked),       // output locked
 // Clock in ports
  .clk_in1(clk_in_50M));      // input clk_in1  
​
// ======== 例化 IDELAYCTRL 和 IDELAYE2 ========    
   (* IODELAY_GROUP = "IODELAY_Test_IO" *) // 指定关联的IDELAY/ODELAY和IDELAYCTRL的组名
​
    IDELAYCTRL IDELAYCTRL_inst (
       .RDY(delay_ctrl_rdy),       // 1-bit output: Ready output
       .REFCLK(REFCLK), // 1-bit input: Reference clock input
       .RST(RST)        // 1-bit input: Active high reset input
    ); 
​
   (* IODELAY_GROUP = "IODELAY_Test_IO" *) //指定关联的IDELAY/ODELAY和IDELAYCTRL的组名
​
    IDELAYE2 #(
       .CINVCTRL_SEL("FALSE"),          // Enable dynamic clock inversion (FALSE, TRUE)
       .DELAY_SRC("IDATAIN"),           // Delay input (IDATAIN, DATAIN)
       .HIGH_PERFORMANCE_MODE("FALSE"), // Reduced jitter ("TRUE"), Reduced power ("FALSE")
       .IDELAY_TYPE("VAR_LOAD"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE 操作模式选择
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延迟Tap
       .PIPE_SEL("FALSE"),              // Select pipelined mode, FALSE, TRUE
       .REFCLK_FREQUENCY(200.0),        // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (190.0-210.0, 290.0-310.0).时钟常量
       .SIGNAL_PATTERN("DATA")          // DATA, CLOCK input signal
    )
    IDELAYE2_inst (
       .CNTVALUEOUT(tap_value_out), // 5-bit output: Counter value output
       .DATAOUT(data_in_from_pins_delay),         // 1-bit output: Delayed data output
       .C(clk_50M),                     // 1-bit input: Clock input,该时钟用于驱动IDELAYE2内部控制信号
       .CE(ce),                   // 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
       .CINVCTRL(1'b0),       // 1-bit input: Dynamic clock inversion input
       .CNTVALUEIN(tap_value_in),   // 5-bit input: Counter value input
       .DATAIN(1'b0),           // 1-bit input: Internal delay data input
       .IDATAIN(data_in_from_pins),         // 1-bit input: Data input from the I/O
       .INC(inc),                 // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
       .LD(ld),                   // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input
       .LDPIPEEN(1'b0),       // 1-bit input: Enable PIPELINE register to load data input
       .REGRST(RST)            // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
    );

IDELAYE2 Testbench部分源码：

initial begin     
       //1. 测试IDELAYE2模式为"FIXED"--------.IDELAY_TYPE("FIXED")
       #10000  data_in_from_pins = 1'b1; //输入脉冲  
       #20     data_in_from_pins = 1'b0; 
       
       //2.测试IDELAYE2模式为"VARIABLE"--------.IDELAY_TYPE("VARIABLE")
       #200 ld = 1'b1;  //控制信号
       #50  ld = 1'b0;
       #20             //"VARIABLE"模式下，使能ce和inc，Tap=Current Value + 1     
            ce = 1'b1;
            inc = 1'b1;
       #40 
            ce = 1'b0;
            inc = 1'b0;
       #20 data_in_from_pins = 1'b1; //输入数据
       #20 data_in_from_pins = 1'b0; 
       
       //3.测试IDELAYE2模式为"VAR_LOAD"--------.IDELAY_TYPE("VAR_LOAD")
       #20  tap_value_in = 5'd5;  //控制信号
       #100 ld = 1'b1;            //"VARIABLE"模式下，使能ld，Tap= CNTVALUEIN值 
       #50  ld = 1'b0; 
       #20 data_in_from_pins = 1'b1; //输入数据
       #20 data_in_from_pins = 1'b0; 
       
       #20         //“VAR_LOAD”模式下，使能ce和inc，Tap=Current Value + 1
            ce = 1'b1;
            inc = 1'b1;
       #40 
            ce = 1'b0;
            inc = 1'b0;       
       #20 data_in_from_pins = 1'b1; //输入数据
       #20 data_in_from_pins = 1'b0;                               
end 

4.3 仿真结果

1. IDELAY_TYPE="FIXED"时，仿真结果如下图所示。

图4：IDELAY_TYPE="FIXED"仿真结果

       .IDELAY_TYPE("FIXED"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE 操作模式选择
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延迟Tap

如图所示，当IDELAY_TYPE="FIXED"时：

data_in_from_pins_delay信号延迟：TapDelayTime=600ps+78ps*9=1302ps

2. IDELAY_TYPE="VARIABLE"时，仿真结果如下图所示。

图5：IDELAY_TYPE="VARIABLE"仿真结果

       .IDELAY_TYPE("VARIABLE"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE 操作模式选择
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延迟Tap

如图所示，当IDELAY_TYPE="VARIABLE"时，控制信号正向触发一次，Tap值=Current Value + 1，如图tap_value_out = 10，故：

data_in_from_pins_delay信号延迟：TapDelayTime=600ps+78ps*10=1380ps

3. IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"时，使能LD信号，仿真结果如下图所示。

图6：IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"仿真结果

       .IDELAY_TYPE("VAR_LOAD"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE 操作模式选择
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延迟Tap

如图所示，当IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"时，使能ld，Tap= CNTVALUEIN（tap_valude_in）值，如图tap_value_out = 5，故：

data_in_from_pins_delay信号延迟：TapDelayTime=600ps+78ps*5=990ps

4. IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"时，使能CE和INC信号，仿真结果如下图所示。

图7：IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"仿真结果

       .IDELAY_TYPE("VAR_LOAD"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE 操作模式选择
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延迟Tap

如图所示，当IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"时，使能ce和inc，Tap= Current Value + 1=6，如图tap_value_out = 6，故：

data_in_from_pins_delay信号延迟：TapDelayTime=600ps+78ps*6=1068ps.

延伸阅读：

1.Xilinx 7系列SelectIO结构之SelectIO逻辑资源（一）

2.Xilinx 7系列SelectIO结构之SelectIO逻辑资源（二）

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