Xilinx SelectIO資源內(nèi)部的IDELAYE2應(yīng)用介紹

引言：本文我們介紹下Xilinx SelectIO資源內(nèi)部IDELAYE2資源應(yīng)用。IDELAYE2原句配合IDELAYCTRL原句主要用于在信號(hào)通過(guò)引腳進(jìn)入芯片內(nèi)部之前，進(jìn)行延時(shí)調(diào)節(jié)，一般高速端口信號(hào)由于走線延時(shí)等原因，需要通過(guò)IDELAYE2原語(yǔ)對(duì)數(shù)據(jù)做微調(diào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的源同步時(shí)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模塊，其在SelectIO路徑位置如下圖所示。

圖1：7系列FPGA HP Bank I/O Tile

圖2：7系列FPGA HR Bank I/O tile

2. IDELAYE2延遲特性

Kintex-7器件DC and AC 開(kāi)關(guān)特性手冊(cè)中介紹了IDELAY延遲分辨率及最大工作時(shí)鐘，如下表所示。

表1：IDELAY延遲分辨率及最大工作時(shí)鐘

根據(jù)上圖延遲分辨率，例如當(dāng)參考時(shí)鐘為200MHz時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算：

平均抽頭延遲單位為T(mén)idelayresoluion=1/(32×2×200MHz)≈78ps。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：

當(dāng)抽頭系數(shù)Tap=0時(shí)，輸入和輸出延遲時(shí)間并非為0ps，而是600ps；

當(dāng)抽頭系數(shù)Tap=1~31時(shí)，TapDelayTime=600ps+Tidelayresoluion*Tap。

3. IDELAYE2原句

在Vivado Language Templates中搜索IDELAY，在Verilog目錄中根據(jù)工程器件家族Kintex-7選擇IDELAYE2原句模板，如下圖所示。

圖3：IDELAYE2原句模板

   (* IODELAY_GROUP =  *) // 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
   );

IDATAIN為延時(shí)前的輸入信號(hào)，DATAOUT為延時(shí)后的輸出信號(hào)。REFCLK_FREQUENCY參數(shù)為IDELAYCTRL原語(yǔ)的參考時(shí)鐘頻率，一般為200Mhz，最大頻率范圍根據(jù)器件手冊(cè)確定。IDELAY_VALUE參數(shù)用來(lái)設(shè)置延時(shí)的tap數(shù)，范圍為1~31，每個(gè)tap數(shù)的延時(shí)時(shí)間和參考時(shí)鐘頻率有關(guān)。

4. IDELAYCTRL原句

IDELAYE2或者ODELAYE2原句例化時(shí)，IDELAYCTRL原句也必須例化。IDELAYCTRL通過(guò)參考時(shí)鐘REFCLK來(lái)校準(zhǔn)IDELAY2每個(gè)tap的延時(shí)值，減少處理、電壓和溫度的影響。該模塊使用REFCLK時(shí)鐘精細(xì)校準(zhǔn)。

   (* IODELAY_GROUP =  *) // 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原句工程源碼與仿真測(cè)試

5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

硬件平臺(tái)：XC7Z035FFG676-2

軟件環(huán)境：Vivado 2017.4

仿真軟件：Vivado Simulator

5.2 軟件代碼

IDELAYE2工程源碼：

module IDELAYE2_Test(
   input clk_in_50M, //時(shí)鐘
   input rst_n,   //復(fù)位
   input ld,
   input ce,
   input inc,
   input [4:0] tap_value_in,     //設(shè)置延遲抽頭系數(shù)
inputdata_in_from_pins,//輸入Pins數(shù)據(jù)
   output [4:0] tap_value_out,
   output delay_ctrl_rdy,         //IDELAYCTRL 延遲校準(zhǔn)ready信號(hào)
outputdata_in_from_pins_delay//輸出Pins延遲數(shù)據(jù)
    );


wire pll_locked;
wire clk_200M;
wire clk_50M;
wire REFCLK;
wire RST;


//IDELAYCTRL 時(shí)鐘及復(fù)位   
assign REFCLK = clk_200M; 
assign RST = pll_locked ? ~rst_n : 1'b1; //復(fù)位DELAYCTRL原句


// ======== 例化PLL時(shí)鐘 ========
  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" *) // 指定關(guān)聯(lián)的IDELAY/ODELAY和IDELAYCTRL的組名


    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" *) //指定關(guān)聯(lián)的IDELAY/ODELAY和IDELAYCTRL的組名


    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 操作模式選擇
       .IDELAY_VALUE(5'd9),                // Input delay tap setting (0-31) 固定延遲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).時(shí)鐘常量
       .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,該時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)IDELAYE2內(nèi)部控制信號(hào)
       .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部分源碼：

initial begin     
       //1. 測(cè)試IDELAYE2模式為"FIXED"--------.IDELAY_TYPE("FIXED")
       #10000  data_in_from_pins = 1'b1; //輸入脈沖  
       #20     data_in_from_pins = 1'b0; 
       
       //2.測(cè)試IDELAYE2模式為"VARIABLE"--------.IDELAY_TYPE("VARIABLE")
       #200 ld = 1'b1;  //控制信號(hào)
       #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; //輸入數(shù)據(jù)
       #20 data_in_from_pins = 1'b0; 
       
       //3.測(cè)試IDELAYE2模式為"VAR_LOAD"--------.IDELAY_TYPE("VAR_LOAD")
       #20  tap_value_in = 5'd5;  //控制信號(hào)
       #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; //輸入數(shù)據(jù)
       #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; //輸入數(shù)據(jù)
#20data_in_from_pins=1'b0;
end

5.3 仿真結(jié)果

1. IDELAY_TYPE="FIXED"時(shí)，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖4：IDELAY_TYPE="FIXED"仿真結(jié)果

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

如圖所示，當(dāng)IDELAY_TYPE="FIXED"時(shí)： data_in_from_pins_delay信號(hào)延遲：TapDelayTime=600ps+78ps*9=1302ps

2. IDELAY_TYPE="VARIABLE"時(shí)，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖5：IDELAY_TYPE="VARIABLE"仿真結(jié)果

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

如圖所示，當(dāng)IDELAY_TYPE="VARIABLE"時(shí)，控制信號(hào)正向觸發(fā)一次，Tap值=Current Value + 1，如圖tap_value_out = 10，故：

data_in_from_pins_delay信號(hào)延遲：TapDelayTime=600ps+78ps*10=1380ps

3. IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"時(shí)，使能LD信號(hào)，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖6：IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"仿真結(jié)果

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

如圖所示，當(dāng)IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"時(shí)，使能ld，Tap= CNTVALUEIN（tap_valude_in）值，如圖tap_value_out = 5，故：

data_in_from_pins_delay信號(hào)延遲：TapDelayTime=600ps+78ps*5=990ps

4. IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"時(shí)，使能CE和INC信號(hào)，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖7：IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"仿真結(jié)果

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

如圖所示，當(dāng)IDELAY_TYPE="VAR_LOAD"時(shí)，使能ce和inc，Tap= Current Value + 1=6，如圖tap_value_out = 6，故：

data_in_from_pins_delay信號(hào)延遲：TapDelayTime=600ps+78ps*6=1068ps.

審核編輯：劉清