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平台:vivado2018.3
具体内容见ug571-ultrascale-selectio
在调试超高速信号的时候,需要使用iodelay+iserdes来调试校准输入信号。例如外部某ADC采样率为5GHZ,外部ADC使用2.5GHZ的时钟去采集输入信号。为了实现采集,adc芯片使用了4个1.25ghz采样率的小ADC来采集。但是由于FPGA的工艺,在FPGA内部无法处理高达1.25ghz的信号。外部信号采用并行数据输入,在双边沿采集信号。输入随路时钟为625mhz的双边沿数据。但是对于一般的工程,内部时钟跑到625mhz对于FPGA的时序要求太高。所以我们将625mhz的时钟通过idelay+iserdes的结构。将625mhz的ddr数据转换为312.5mhz的4路单边沿数据。由于芯片采用的并行数据输入,在pcb布局,fpga引脚这些问题上,导致并行输入信号在进入FPGA内部的时间不一致,导致我们采集的输入数据就会出现亚稳态,可能提前也可能延后。这时候我们就需要使用iodelay来对数据进行校准,保证时钟每次采集的数据都是数据的正中心。以确保数据不会出错。
感兴趣的可以看我的另外一篇关于iodelay的文章。
那么625mhz的ddr数据如何转换为312.5mhz的呢?在FPGA中拥有serdes可以将输入的串行数据转换为并行数据。今天我们就来通过仿真简单介绍一下iodelay和iserdes。
关于IODELAY3
可以使用 IDELAYE3 原语延迟除时钟以外的任何输入信号,然后将其直接转发到器件逻辑,或者使用输入/输出互联 (IOI) 内部的单数据速率 (SDR) 时钟或双倍数据速率 (DDR) 时钟将其寄存到简单的触发器、IDDDR 或 ISERDESE3 中。不 应使用 IDELAYE3 来延迟时钟,因为 IDELAY 无法直接布线到全局时钟缓存。如必须延迟时钟,请使用 MMCM 或 PLL 生成时钟,并使用精细相移功能来延迟时钟。
需要注意的是,IDELAY3原语包含512抽头系数。仿真实测每个taps实际为5ps。仿真测试接入IDELAY3产生的固有延迟为160ps。
IDELAY3拥有两种模式。
COUNT模式和TIME模式。
COUNT模式不需要IDELAYCTRL,无校准,只是记数tap的个数(最多512个taps)
TIME模式需要IDELAYCTRL,有校准。
端口介绍
UltraScale器件中的ISERDESE3是具有特定时控和逻辑功能的串并转换器,便于实现高速源同步应用。
ISERDESE3可在SDR数据捕获中将传入信号按2或4位进行解串,而在DDR数据捕获模式中则可以按4或8位进行解串。当用于SDR数据捕获时,每隔一个数据输出管脚即为有效输出。例如,当使用SDR时钟作为1:4解串器时,数据宽度应设置为8,接收到的数据取自 Q0、Q2、Q4和Q6。
ISERDES还包含一个较浅的八元素FIFO。可用于跨时钟域传输。
ISERDES可以定义串并转换器宽度。为4位和8位。
ISERDES的端口介绍
ISERDES的属性
下面我们在逻辑中做仿真。模拟外部输入的625mhz的DDR数据,通过调节idelay和使用iserdes将输入的串行信号转换位并行数据。
使用idelay,设置idelay时钟位312.5mhz。输入625mhz的串行ddr数据。
- // *********************************************************************************/
- // Project Name :
- // Author : i_huyi
- // Email : i_huyi@qq.com
- // Creat Time : 2024/4/1 16:22:39
- // File Name : .v
- // Module Name :
- // Called By :
- // Abstract :
- //
- // CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
- // All Rights Reserved
- //
- // *********************************************************************************/
- // Modification History:
- // 1. initial
- // *********************************************************************************/
- // *************************
- // MODULE DEFINITION
- // *************************
- `timescale 1 ns / 1 ps
- module io_delay3#(
- parameter U_DLY = 1
- )
- (
- //serdes data in and Parallel data out
- input wire data_in ,
- output wire data_delay_out ,
- //iodelay
- input wire[8:0] delay_data ,//延迟值
- input wire delay_valid ,//延迟值有效
- //system signal
- input wire clk_312_5 ,//312.5
- input wire rst
- );
- //--------------------------------------
- // localparam
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // register
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // wire
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // assign
- //--------------------------------------
-
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- IDELAYCTRL #(
- .SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" )// Must be set to "ULTRASCALE"
- )
- IDELAYCTRL_inst (
- .RDY (RDY ),// 1-bit output: Ready output
- .REFCLK (clk_312_5 ),// 1-bit input: Reference clock input
- .RST (rst )// 1-bit input: Active high reset input. Asynchronous assert, synchronous deassert to
- // REFCLK.
-
- );
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- IDELAYE3 #(
- .CASCADE ("NONE" ),// Cascade setting (MASTER, NONE, SLAVE_END, SLAVE_MIDDLE)
- .DELAY_FORMAT ("TIME" ),// Units of the DELAY_VALUE (COUNT, TIME)
- .DELAY_SRC ("IDATAIN" ),// Delay input (DATAIN, IDATAIN)
- .DELAY_TYPE ("VAR_LOAD" ),// Set the type of tap delay line (FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD)
- .DELAY_VALUE (0 ),// Input delay value setting
- .IS_CLK_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK
- .IS_RST_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for RST
- .REFCLK_FREQUENCY (312.5 ),// IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (200.0-2667.0)
- .SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" ),// Set the device version (ULTRASCALE, ULTRASCALE_PLUS, ULTRASCALE_PLUS_ES1,// ULTRASCALE_PLUS_ES2)
- .UPDATE_MODE ("ASYNC" )// Determines when updates to the delay will take effect (ASYNC, MANUAL, SYNC)
- )
- IDELAYE3_inst (
- .CASC_OUT ( ),// 1-bit output: Cascade delay output to ODELAY input cascade
- .CNTVALUEOUT ( ),// 9-bit output: Counter value output
- .DATAOUT (data_delay_out ),// 1-bit output: Delayed data output
- .CASC_IN (1'b0 ),// 1-bit input: Cascade delay input from slave ODELAY CASCADE_OUT
- .CASC_RETURN (1'b0 ),// 1-bit input: Cascade delay returning from slave ODELAY DATAOUT
- .CE (1'b0 ),// 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
- .CLK (clk_312_5 ),// 1-bit input: Clock input
- .CNTVALUEIN (delay_data ),// 9-bit input: Counter value input
- .DATAIN (1'b0 ),// 1-bit input: Data input from the logic
- .EN_VTC (~delay_valid ),// 1-bit input: Keep delay constant over VT
- .IDATAIN (data_in ),// 1-bit input: Data input from the IOBUF
- .INC (1'b1 ),// 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
- .LOAD (delay_valid ),// 1-bit input: Load DELAY_VALUE input
- .RST (rst )// 1-bit input: Asynchronous Reset to the DELAY_VALUE
- );
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- endmodule
使用iserdes,ddr数据输入。输出比例为1:4。
- // *********************************************************************************/
- // Project Name :
- // Author : i_huyi
- // Email : i_huyi@qq.com
- // Creat Time : 2024/4/1 16:32:49
- // File Name : .v
- // Module Name :
- // Called By :
- // Abstract :
- //
- // CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
- // All Rights Reserved
- //
- // *********************************************************************************/
- // Modification History:
- // 1. initial
- // *********************************************************************************/
- // *************************
- // MODULE DEFINITION
- // *************************
- `timescale 1 ns / 1 ps
- module iserdes3#(
- parameter U_DLY = 1
- )
- (
- //serdes data in and Parallel data out
- input wire data_in ,
- output wire[3:0] data_out ,
- //system signal
- input wire clk_312_5 ,//625
- input wire clk_625_p ,//625mhz
- input wire clk_625_n ,
- input wire rst
- );
- //--------------------------------------
- // localparam
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // register
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // wire
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // assign
- //--------------------------------------
-
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- ISERDESE3 #(
- .DATA_WIDTH (4 ),// Parallel data width (4,8)
- .FIFO_ENABLE ("FALSE" ),// Enables the use of the FIFO
- .FIFO_SYNC_MODE ("FALSE" ),// Always set to FALSE. TRUE is reserved for later use.
- .IS_CLK_B_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK_B
- .IS_CLK_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK
- .IS_RST_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for RST
- .SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" )// Set the device version (ULTRASCALE, ULTRASCALE_PLUS, ULTRASCALE_PLUS_ES1,ULTRASCALE_PLUS_ES2)
- )
- ISERDESE3_inst (
- .FIFO_EMPTY ( ),// 1-bit output: FIFO empty flag
- .INTERNAL_DIVCLK ( ),// 1-bit output: Internally divided down clock used when FIFO is, disabled (do not connect)
- .Q (data_out ),// 8-bit registered output
- .CLK (clk_625_p ),// 1-bit input: High-speed clock
- .CLKDIV (clk_312_5 ),// 1-bit input: Divided Clock
- .CLK_B (clk_625_n ),// 1-bit input: Inversion of High-speed clock CLK
- .D (data_in ),// 1-bit input: Serial Data Input
- .FIFO_RD_CLK ( ),// 1-bit input: FIFO read clock
- .FIFO_RD_EN ( ),// 1-bit input: Enables reading the FIFO when asserted
- .RST (rst )// 1-bit input: Asynchronous Reset
- );
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- endmodule
顶层例化两个模块。
- // *********************************************************************************/
- // Project Name :
- // Author : i_huyi
- // Email : i_huyi@qq.com
- // Creat Time : 2024/4/1 15:53:53
- // File Name : .v
- // Module Name :
- // Called By :
- // Abstract :
- // iserdes + iodelay
- //
- // CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
- // All Rights Reserved
- //
- // *********************************************************************************/
- // Modification History:
- // 1. initial
- // *********************************************************************************/
- // *************************
- // MODULE DEFINITION
- // *************************
- `timescale 1 ns / 1 ps
- module io_delay_iserdes#(
- parameter U_DLY = 1
- )
- (
- //serdes data in and Parallel data out
- input wire data_in ,
- output wire[3:0] data_out ,
- //iodelay
- input wire[8:0] delay_data ,//延迟值
- input wire delay_valid ,//延迟值有效
- //system signal
- input wire clk_312_5 ,//625
- input wire clk_625_p ,//625mhz
- input wire clk_625_n ,
- input wire rst
- );
- //--------------------------------------
- // localparam
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // register
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // wire
- //--------------------------------------
-
- //--------------------------------------
- // assign
- //--------------------------------------
- io_delay3 u_io_delay3 (
- //serdes data in
- .data_in (data_in ),
- .data_delay_out (data_delay_out ),
- //iodelay
- .delay_data (delay_data ),
- .delay_valid (delay_valid ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .rst (rst ));
-
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- iserdes3 U_iserdes3(
- //serdes data in and Parallel data out
- .data_in (data_delay_out ),
- .data_out (data_out ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .clk_625_p (clk_625_p ),
- .clk_625_n (clk_625_n ),
- .rst (rst ));
-
- //------------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------
- //
- endmodule
添加仿真文件
- `timescale 1ns / 1ps
- //
- // Company:
- // Engineer:
- //
- // Create Date: 2024/04/01 16:43:25
- // Design Name:
- // Module Name: vtf_io_delay_iserdes
- // Project Name:
- // Target Devices:
- // Tool Versions:
- // Description:
- //
- // Dependencies:
- //
- // Revision:
- // Revision 0.01 - File Created
- // Additional Comments:
- //
- //
-
-
- module vtf_io_delay_iserdes;
- //
- wire [9:0] adc_di_p ;
-
- //iodelay
- reg [8:0] delay_data ;//延迟值
- reg delay_valid ;//延迟值有效
- //system signal
- reg clk_312_5 ;//625
- reg clk_625_p ;//625mhz
- reg clk_625_n ;
- reg rst ;
-
- reg data_clk ;
-
- wire [3:0] data_out[9:0] ;
-
- wire [9:0] data_p0 ;
- wire [9:0] data_p1 ;
- wire [9:0] data_p2 ;
- wire [9:0] data_p3 ;
-
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
- assign data_p0 = { data_out[9][0],
- data_out[8][0],
- data_out[7][0],
- data_out[6][0],
- data_out[5][0],
- data_out[4][0],
- data_out[3][0],
- data_out[2][0],
- data_out[1][0],
- data_out[0][0]
- };
- assign data_p1 = { data_out[9][1],
- data_out[8][1],
- data_out[7][1],
- data_out[6][1],
- data_out[5][1],
- data_out[4][1],
- data_out[3][1],
- data_out[2][1],
- data_out[1][1],
- data_out[0][1]
- };
- assign data_p2 = { data_out[9][2],
- data_out[8][2],
- data_out[7][2],
- data_out[6][2],
- data_out[5][2],
- data_out[4][2],
- data_out[3][2],
- data_out[2][2],
- data_out[1][2],
- data_out[0][2]
- };
- assign data_p3 = { data_out[9][3],
- data_out[8][3],
- data_out[7][3],
- data_out[6][3],
- data_out[5][3],
- data_out[4][3],
- data_out[3][3],
- data_out[2][3],
- data_out[1][3],
- data_out[0][3]
- };
-
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
- parameter WIDTH = 10;
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
- genvar i;
- generate
- for (i = 0; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
- io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
- //serdes data in and Parallel data out
- .data_in (adc_di_p[i] ),
- .data_out (data_out[i] ),
- //iodelay
- .delay_data (delay_data ),
- .delay_valid (delay_valid ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .clk_625_p (clk_625_p ),
- .clk_625_n (clk_625_n ),
- .rst (rst ));
- end
- endgenerate
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
-
-
- initial
- begin
- delay_data =0;
- delay_valid =0;
- data_clk =0;
-
- clk_312_5 =0;
- clk_625_p =0;
- clk_625_n =1;
- rst =1;
- #100;
- rst =0;
- #100;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
-
- #100;
- delay_data =9'd2;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
- #100;
- delay_data =9'd3;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
-
- #100;
- delay_data =9'd4;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
-
- #100;
- delay_data =9'd200;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
-
- end
-
-
- reg [9:0] data_cnt ;
-
- always@(posedge data_clk or posedge rst)
- begin
- if(rst == 1'b1)begin
- data_cnt <= 10'd0;
- end
- else begin
- data_cnt <= data_cnt + 10'h1;
- end
- end
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
- //产生数据
- assign adc_di_p[0] = data_cnt[0];
- assign adc_di_p[1] = data_cnt[1];
- assign adc_di_p[2] = data_cnt[2];
- assign adc_di_p[3] = data_cnt[3];
- assign adc_di_p[4] = data_cnt[4];
- assign adc_di_p[5] = data_cnt[5];
- assign adc_di_p[6] = data_cnt[6];
- assign adc_di_p[7] = data_cnt[7];
- assign adc_di_p[8] = data_cnt[8];
- assign adc_di_p[9] = data_cnt[9];
- always #1.6 clk_312_5 = ~clk_312_5;
- always #0.8 clk_625_p = ~clk_625_p;
- always #0.8 clk_625_n = ~clk_625_n;
- always #0.4 data_clk = ~data_clk;
- endmodule
在仿真文件中,我们模式外部ADC采集输入的并行数据。使用1.25ghz时钟将数据产生。产生的数据将通过并行的十根数据线发送到idelay+iserdes模块分别进行解串。解串后的数据为单bit的312.5mhz的四组并行数据。在仿真顶层我们需要将该数据装换为10bit的312.5mhz数据。所以这里例化十个解串模块。将其解串后的数据进行拼合。就将原始的10bit的1.25ghz的数据转换为了四组312.5mhz的10bit数据流。接下来具体看一下效果。
idelay调节。调节tap为0。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了160ps。
idelay调节。调节tap为2。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了170ps。
idelay调节。调节tap为200。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了1160ps。
iserdes解串出来的数据。
为了验证每个通道到达iserdes数据的先后顺序不一致。我们在仿真时,将输入的bit0,作为单独的一路数据,延迟tap设置为500。
设置仿真。
- io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes0(
- //serdes data in and Parallel data out
- .data_in (adc_di_p[0] ),
- .data_out (data_out[0] ),
- //iodelay
- .delay_data (9'd500 ),
- .delay_valid (delay_valid ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .clk_625_p (clk_625_p ),
- .clk_625_n (clk_625_n ),
- .rst (rst ));
-
- genvar i;
- generate
- for (i = 1; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
- io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
- //serdes data in and Parallel data out
- .data_in (adc_di_p[i] ),
- .data_out (data_out[i] ),
- //iodelay
- .delay_data (delay_data ),
- .delay_valid (delay_valid ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .clk_625_p (clk_625_p ),
- .clk_625_n (clk_625_n ),
- .rst (rst ));
- end
- endgenerate
bit0进过iserdes解串出来的并行数据。idelay=0;
bit0进过iserdes解串出来的并行数据。idelay=500;
经过idelay和iserdes还原出来的数据。在调节idelay之前。输入10bit并行数据,可以看到输出的数据为00f,010,011,012,与输入的1.25ghz数据一致。
经过idelay和iserdes还原出来的数据。在调节idelay之后。输入10bit并行数据,可以看到输出的数据为07f,081,080,083,与输入的1.25ghz数据不一致。数据已经错误。
这时再将所有通道idelay延迟设置为500taps。观察解串后的数据。
- genvar i;
- generate
- for (i = 0; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
- io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
- //serdes data in and Parallel data out
- .data_in (adc_di_p[i] ),
- .data_out (data_out[i] ),
- //iodelay
- .delay_data (delay_data ),
- .delay_valid (delay_valid ),
- //system signal
- .clk_312_5 (clk_312_5 ),
- .clk_625_p (clk_625_p ),
- .clk_625_n (clk_625_n ),
- .rst (rst ));
- end
- endgenerate
- //-----------------------------------------------------------
- //-----------------------------------------------------------
-
-
- initial
- begin
- delay_data =0;
- delay_valid =0;
- data_clk =0;
-
- clk_312_5 =0;
- clk_625_p =0;
- clk_625_n =1;
- rst =1;
- #100;
- rst =0;
- #100;
- delay_data =9'd500;
- delay_valid =1'b1;
- #10;
- delay_data =9'd0;
- delay_valid =1'b0;
-
-
- end
解串后的数据。在idelay写入时,存在几个周期的数据错误。在idelay生效后,解串出来的数据与原始数据一致。解串成功。
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