Zynq高速串行CMOS接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

現(xiàn)在CMOS傳感器的分辨率越來越大，對應(yīng)的，對數(shù)據(jù)傳輸接口的要求也越來越高。根據(jù)熊貓君有限的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，基本上遇到了：

①多通道HiSPi接口：主要是Aptina（現(xiàn)已經(jīng)被安森美收購），常用的有1080P60的AR0331（3.1M），3664×2748P15的MT9J003，3984×2712P80（開窗輸出最高可達(dá)1200fps）的AR1011等；

②多通道LVDS接口：主要有索尼系列和德國viimagic系列等，至少熊貓君用過的IMX172/IMX122/IMX185/IMX236和VII9222等都是LVDS輸出；

③MIPI接口：多用于手機(jī)，一些監(jiān)控用的CMOS如Sony IMX185、OV14810等也帶；

④CCIR656：一般低分辨率的會帶CCIR656接口，也有一些廠家的高分?jǐn)z像頭也帶，比如OV14810；

⑤并行接口：較早設(shè)計(jì)的CMOS許多都是直接并口輸出，比如Aptina的MT9M031、MT9J003都帶有并口輸出；

熊貓君在這里想討論的是前三種接口的實(shí)現(xiàn)，它們是業(yè)界應(yīng)用最廣泛而且對FPGA資源有著共性要求。

無論是HiSPi、LVDS還是MIPI，其核心思想就是要實(shí)現(xiàn)將高速串行信號恢復(fù)成并行數(shù)據(jù)。這將會用到Xilinx FPGA IOB上的一個重要的資源——ISERDES。

實(shí)現(xiàn)串行信號的并行化，光有ISERDES還不行，還需要用到IO BANK上的延時(shí)模塊IDELAYCTRL和IOB上的IODELAYE以及相關(guān)的相位訓(xùn)練算法。

1 Xilinx的IO資源

本節(jié)對用到的IO資源作簡要的介紹。

1.1 IDELAYCTRL資源
在電壓、溫度等因素變化時(shí)，可能會影響到系統(tǒng)的時(shí)序，此時(shí)IDELAYCTRL模塊就可以連續(xù)補(bǔ)償時(shí)鐘域內(nèi)所有個體的delay taps (IDELAY/ODELAY)。如果使用了IOB上的IDELAY或ODELAY資源，那么就必須使用IDELAYCTRL資源。請注意，整個IO BANK里面只有一個IDELAYCTRL。

IDELAYCTRL很重要的一個輸入項(xiàng)就是參考時(shí)鐘REFCLK，補(bǔ)償時(shí)鐘域內(nèi)所有模塊的時(shí)序參考，這個時(shí)鐘必須由BUFG或BUFH驅(qū)動。REFCLK必須保證在FIDELAYCTRL_REF+IDELAYCTRL_REF_PRECISION（MHz）ppm才能保證IDELAY/ODELAY的延時(shí)分辨率：
（TIDELAYRESOLUTION=1/(32 x 2 x FREF））

1.2 IDELAYE2邏輯
IDELAYE2邏輯是一個31抽頭的循環(huán)延時(shí)補(bǔ)償模塊，對輸入的信號進(jìn)行指定分辨率的延時(shí)，F(xiàn)PGA可以直接訪問。Tap延時(shí)分辨率由IDELAYCTRL的參考時(shí)鐘提供持續(xù)補(bǔ)償。圖（1）是IDELAYE2接口示意圖，表（1）是對這些接口的描述，表（2）是對邏輯參數(shù)的描述。

圖（1）IDELAYE2接口示意圖。

表（1）IDELAYE2接口描述

以下以VAR_LOAD模式為例說明延時(shí)的時(shí)序動作，如圖（2）所示。

圖（2）延時(shí)時(shí)序動作模型
? Clock Event 0：
在LD有效前，CNTVALUEOUT輸出為未知值；
? Clock Event 1：
在C的上升沿采樣到LD有效，此時(shí)DATAOUT延時(shí)CNTVALUEIN指定的延時(shí)Taps，改變tap Setting到Tap2，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值；
? Clock Event 2：
INC和CE有效，此時(shí)指定了增量操作，Tap值加1，DATAOUT輸出從Tap2更新到Tap3，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值；
? Clock Event 3
LD有效，DATAOUT輸出延時(shí)更新到Tap10，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值。

1.3 ISERDESE2邏輯
輸入串轉(zhuǎn)并邏輯可以看做是OSERDESE2的逆過程，在SDR模式下可支持2-、3-、4-、5-、6-和7-的串并轉(zhuǎn)換，在DDR模式下可支持2-、4-、6-、8-的串并轉(zhuǎn)換，級聯(lián)DDR模式下還可擴(kuò)展到10-和14-。每一個ISERDESE2包括：
? 專門的串并轉(zhuǎn)換器；
? Bitslip子模塊用于源同步接口；
? 專用的可支持strobe-based的存儲接口。

圖（3）是ISERDESE2的結(jié)構(gòu)示意圖。表（3）是ISERDESE2接口描述，表（4）示ISERDESE2的參數(shù)描述。

圖（3）ISERDESE2結(jié)構(gòu)示意圖

表（3） ISERDESE2

表（4）ISERDESE2的參數(shù)描述

（1） 時(shí)鐘方案
CLK和CLK_DIV必須是嚴(yán)格對齊的時(shí)鐘，雖然允許使用BUFIO/BUFR，但任然有可能存在相位問題。圖（5）時(shí)采用BUFIO/BUFR的方案。

圖（5）采用BUFIO/BUFR的時(shí)鐘方案

一般的，根據(jù)接口類型的差異，時(shí)鐘必須滿足以下的約束：
a）networking interface
? CLK→BUFIO；CLKDIV→BUFR；
? CLK→MMCM/PLL；CLKDIV→和CLK相同的MMCM/PLL的CLKOUT[0:6]的輸出，使用MMCM時(shí)CLK和CLKDIV必須使用相同的驅(qū)動BUF；
? CLK→BUFG；CLKDIV→BUFG。
b）MEMORY Interface Type
? CLK→BUFIO, OCLK→BUFIO，或CLKDIV→BUFR；
? CLK→MMCM或PLL, OCLK→MMCM,或CLKDIV由同一個MMCM/PLL的CLKOUT[0:6]驅(qū)動；
? CLK→BUFG，CLKDIV→不同的BUFG。
OCLK和CLKDIV的輸入相位必須是嚴(yán)格對齊的，CLK和OCLK之間不要求相位關(guān)系。From CLK to OCLK的時(shí)鐘域必須進(jìn)行補(bǔ)償。
其他接口類型的時(shí)鐘方案參考文檔UG471。

（2） BitSlip子模塊
BitSlip用于調(diào)整并行寄存器輸出串行數(shù)據(jù)的位置。在SDR模式下，每一個BitSlip脈沖讓輸出pattern的數(shù)據(jù)左移1bit；在DDR模式下，第一個BitSlip右移1bit，第二個BitSlip左移3bit，依次進(jìn)行，移動規(guī)律如圖（6）所示。BitSlip一定是和CLKDIV同步的一個脈沖。

圖（6）BitSlip訓(xùn)練移位規(guī)律

在上面所介紹的資源中，IDELAYE2是動態(tài)相位對其訓(xùn)練的神器，ISERDESE2實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，其Bitslip功能是實(shí)現(xiàn)并行化數(shù)據(jù)對齊的關(guān)鍵。

2 LVDS高速接口實(shí)現(xiàn)實(shí)例
因?yàn)镸IPI接口有其完整的物理層協(xié)議，因此不在這里講具體實(shí)現(xiàn)，本文以Sony的IMX122 CMOS為例，聊一聊高速LVDS（HiSPi類似，只是電平標(biāo)準(zhǔn)有一點(diǎn)區(qū)別）接口在Xilinx 7系列FPGA和Zynq SoC上的實(shí)現(xiàn)。

2.1 需求分析
以Sony IMX122 CMOS為例，配置在1080P分辨率可輸出30fps。CMOS在初始化完成后輸出兩通道穩(wěn)定的LVDS數(shù)據(jù)，LVDS接收模塊在收到配置完成信號后開始工作。因此，這個LVDS接收模塊需要實(shí)現(xiàn)：
① CMOS工作在Slave模式下，向CMOS發(fā)出參考時(shí)鐘（INCK）、行同步（XHS）、幀同步（XVS）信號；
② 接收LVDS數(shù)據(jù)并將它恢復(fù)成為指定的圖像數(shù)據(jù)格式；
③ 提供測試信息接口。

2.2 IMX122 CMOS輸出特性
本小節(jié)簡介IMX122 CMOS的一些特性。

2.2.1 同步時(shí)序要求
在Slave模式下需要向CMOS提供周期穩(wěn)定的XHS和XVS信號，兩者的時(shí)序要求如圖7所示。在產(chǎn)生同步時(shí)序時(shí)需要注意以下要點(diǎn)：
① XVS和XHS必須是穩(wěn)定的周期性信號；
② XVS和XHS信號的低電平保持時(shí)間為4~100個INCK；
③ XHS可以和XVS同時(shí)拉低，也可延時(shí)一個時(shí)鐘周期拉低。

圖7 Slave模式下同步時(shí)序

2.2.2 輸出數(shù)據(jù)率
在串行SDR LVDS模式下以12bit模式輸出，數(shù)據(jù)率為891Mbps，每個通道的數(shù)據(jù)率為445.5Mbps。

2.2.3 Sync Code格式
在串行輸出模式下，CMOS通過輸出固定的Sync Code來指示圖像的有效幀、行信息，接收器需通過查找這些Sync Code來恢復(fù)圖像。IMX122可提供兩種模式的Sync Code，這里配置為Sync Code1，其具體定義如圖8所示。

圖8 IMX122 Sync Code定義

2.2.4 輸出圖像組織形式
IMX122在1080P讀出模式下，輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘INCK是37.125MHz。一幀圖像輸出固定為1125行，每行1100 INCK（29.63μs），有效輸出為1984×1105。圖像輸出的時(shí)序如圖9所示，圖10是輸出數(shù)據(jù)編碼規(guī)則。

圖9 IMX122 LVDS模式輸出時(shí)序

圖10 IMX122 12-bit 2通道輸出編碼格式

2.3 設(shè)計(jì)思路和模塊結(jié)構(gòu)
Slave模式下工作的CMOS在XVS和XHS的同步下按照固定時(shí)序穩(wěn)定輸出LVDS圖像數(shù)據(jù)。LVDS串行數(shù)據(jù)按照一定的方式進(jìn)行編碼，接收模塊應(yīng)先將串行數(shù)據(jù)解碼恢復(fù)成為并行數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的排列方式格式化輸出。因此，整個模塊可以劃分為時(shí)序同步、LVDS接收解碼（串轉(zhuǎn)并）和數(shù)據(jù)格式化輸出三個部分。整個LVDS接收模塊的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 LVDS接收模塊頂層圖

① CMOS輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘（INCK）為37.125MHz；
② CMOS輸出LVDS數(shù)據(jù)為445.5MHz SDR型；
③ 時(shí)序發(fā)生器由74.25MHz發(fā)生30fps的XVS、XHS信號；
④ LVDS數(shù)據(jù)接收解碼模塊將數(shù)據(jù)恢復(fù)為8bit@55.6875MHz并行格式（DATA[7:0]）；
⑤ 格式化輸出模塊通過搜索同步頭的狀態(tài)確定是否發(fā)出bit_slip,并根據(jù)CMOS的數(shù)據(jù)格式和同步信號格式化輸出12bit@74.25MHz像素?cái)?shù)據(jù)（PIX_DATA[11:0]）；
⑥ IDELAYCTRL以Ref_clk為基準(zhǔn)對整個IO BANK進(jìn)行輸入延時(shí)控制。

2.3.1 時(shí)序同步
同步時(shí)序由內(nèi)部74.25MHz計(jì)數(shù)產(chǎn)生。按照圖7所示時(shí)序即可。

2.3.2 LVDS接收解碼
LVDS接收的主要工作是將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動相位調(diào)節(jié),移位寄存器抽頭調(diào)整（Bitslip）。Xilinx Artix7系列FPGA提供串轉(zhuǎn)并模塊ISERDES和IO延時(shí)模塊IODELAYE2，ISERDES性能可在415Mb/s~1200Mb/s之間，IODELAYE2的延時(shí)參考時(shí)鐘可以是200MHz（1tap≈78ps）或300MHz（1tap≈52ps）。

（1）Artix7 FPGA時(shí)鐘特性
在Artix7系列器件里，MMCM可驅(qū)動BUFIO、BUFR、BUFH和BUFG，PLL只能驅(qū)動BUFH和BUFG。ZYNQ-7020采用Artix7 Speed-1器件，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的最高性能如下表5所示。

表5? Artix7 Speed-1 器件時(shí)鐘性能

FPGA

 

BUFG

 

BUFH

 

BUFR

 

BUFIO

 

Artix7 Speed-1

 

464MHz

 

464MHz

 

315MHz

 

600MHz

 

（2）LVDS接收時(shí)鐘選擇

①LVDS解碼串行參考時(shí)鐘選擇
從表1可以知道，采用BUFG最高時(shí)鐘性能為464MHz。IMX122 1080P串行模式下兩通道LVDS每通道的輸出數(shù)據(jù)率為445.5Mbps（SDR）,接近BUFG的極限值，因此這里作一個變通處理，使用222.75MHz時(shí)鐘按照DDR方式對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

②IODELAYE2 延時(shí)參考時(shí)鐘選擇
延時(shí)參考時(shí)鐘選擇的原則是在LVDS數(shù)據(jù)時(shí)鐘周期內(nèi)，可調(diào)節(jié)的Tap數(shù)盡量的多。IMX122輸出的數(shù)據(jù)周期為2.245ns，調(diào)節(jié)一個周期采用200MHz參考時(shí)鐘需要28taps，采用300MHz參考時(shí)鐘需要43個Taps，而IODELAYE2的調(diào)節(jié)Tap數(shù)為0~31，故只能選擇200MHz的參考時(shí)鐘。

（3）LVDS數(shù)據(jù)接收模塊時(shí)鐘
因CMOS IMX122不輸出LVDS bit時(shí)鐘，F(xiàn)PGA使用內(nèi)部時(shí)鐘來接收解碼LVDS數(shù)據(jù)。如圖12所示，與LVDS相關(guān)的時(shí)鐘由同一個MMCM產(chǎn)生以保證其相位的一致性。其中：
① 37.125MHz，為CMOS工作參考時(shí)鐘；
② 55.6875MHz，提供給IODELAYE2.C、ISERDES2.CLKDIV、補(bǔ)償狀態(tài)機(jī)及解碼后的字節(jié)數(shù)據(jù)參考時(shí)鐘；
③ 74.25MHz，產(chǎn)生30fps的CMOS同步參考時(shí)序和12bit像素參考時(shí)鐘；
④ 222.75MHz，以DDR模式接收的DDR位參考時(shí)鐘；

圖12 LVDS數(shù)據(jù)接收模塊結(jié)構(gòu)

IMX122輸出兩路LVDS數(shù)據(jù)，每個通道的接收邏輯相同，對每一通道而言，數(shù)據(jù)流路徑如下：
a)LVDS差分對通過IBUFDS_DIFF_OUT,得到位數(shù)據(jù)（記為Master）及與其反相的數(shù)據(jù)（記為Slave）；
b)Master和Slave分別進(jìn)入各自的IODELAYE2和ISERDES2得到各自的并行數(shù)據(jù)送到補(bǔ)償算法狀態(tài)機(jī)進(jìn)行動態(tài)相位調(diào)整并反饋各自的延時(shí)值到IODELAYE2。根據(jù)IMX122的LVDS編碼特點(diǎn)，ISERDES2按照1:8作串并轉(zhuǎn)換最為合適；
c)數(shù)據(jù)格式化輸出模塊根據(jù)查找Sync Code的情況調(diào)整bitslip；
d)補(bǔ)償模塊根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整的情況輸出解碼后的8-bit并行數(shù)據(jù)。

2.3.3 動態(tài)相位補(bǔ)償
動態(tài)相位補(bǔ)償原理如下：
① 初始化時(shí)，Master數(shù)據(jù)延時(shí)假定設(shè)為數(shù)據(jù)眼圖的中間位置，Slave和Master的延時(shí)相隔半個數(shù)據(jù)周期。
② 在Master和Slave的數(shù)據(jù)不全為零或不全為壹時(shí)啟動動態(tài)相位補(bǔ)償算法。相位補(bǔ)償?shù)幕驹硎牵喝绻鸐aster和Slave采樣到的數(shù)據(jù)相同，則說明采樣太靠后，延時(shí)減少一個Tap（如圖13[a]）；如果Master和Slave采樣到的數(shù)據(jù)不同，則說明采樣點(diǎn)太靠前，延時(shí)增加一個Tap(如圖13[b])。

圖13采樣點(diǎn)延時(shí)示意圖

③如果延時(shí)Tap值為最小或最大位置時(shí)，則交換Master和Slave的的參考關(guān)系，同時(shí)輸出數(shù)據(jù)作相應(yīng)調(diào)整；

2.3.4 數(shù)據(jù)格式化輸出
該模塊的工作是將收到的串轉(zhuǎn)并數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上搜索Sync Code、并組織成12-bit的像素?cái)?shù)據(jù)按照給定時(shí)序格式化輸出。

（1）Sync Code搜索
Sync Code搜索采用的策略是，邏輯在不停的查找在一幀數(shù)據(jù)里是否存在圖3-2所示的的特定數(shù)據(jù)，如果這些同步碼都能找到，則表示接收邏輯串轉(zhuǎn)并的輸出位順序正常，不再需要bitslip；若沒有找到全部的同步碼，則在下一幀開始的時(shí)候（XVS上升沿）給出一個bitslip脈沖調(diào)整輸出，直到找到完整的Sync Code。

兩路LVDS通道分別單獨(dú)進(jìn)行Sync Code搜索，若32次bitslip后任然沒有找到Sync Code，則報(bào)告CMOS輸出錯誤。

（2）格式化輸出
格式化輸出模塊完成將CMOS輸出的數(shù)據(jù)解碼成12-bit Pixel數(shù)據(jù)并按照視頻格式時(shí)序輸出，結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 格式化輸出邏輯結(jié)構(gòu)

對格式化輸出的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程這里不贅述。

2.3.5 接收模塊頂層文件描述
IMX122-LVDS接收模塊由4個文件構(gòu)成，分別是imx122_lvds_rev_v1_0、lvds_data_rx、rev_data_format_v1_0和imx122_slvsyn_timing_v1_0構(gòu)成，它們的層析結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 LVDS接收模塊文件結(jié)構(gòu)

注：藍(lán)色的imx122_slvsyn_timing_v1_0不屬于LVDS接收內(nèi)容，但CMOS在SLAVE模式下必須由它提供同步信號后才能正常輸出。