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FPGA - 7系列 FPGA SelectIO -04- 逻辑资源之IDELAY和IDELAYCTRL

2022-06-21 05:57:00 【Vuko-wxh】

前言

本文节选UG471的第二章，进行整理翻译，用于介绍SelectIO资源内部的IDELAY资源和IDELAYCTRL资源。

输入延迟资源 (IDELAY)简介

每个 I/O 模块都包含一个称为 IDELAYE2 的可编程延迟原语。 IDELAY 可以连接到 ILOGICE2/ISERDESE2 或 ILOGICE3/ISERDESE2 块。
IDELAYE2 是一个 31 抽头、环绕式延迟原语，具有校准的抽头分辨率。它可以应用于组合输入路径、注册输入路径或两者。它也可以直接从 FPGA 逻辑访问。 IDELAY 允许在单个输入引脚的基础上延迟输入信号。抽头延迟分辨率通过使用 IDELAYCTRL 参考时钟连续校准，该参考时钟来自 7 系列 FPGA 数据手册中指定的范围。

IDELAYE2 原语

IDELAYE2 原语的结构如下：

端口说明

Port Name	Direction	Width	Function
C	Input	1	在 VARIABLE、VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 模式下使用的时钟输入。
REGRST	Input	1	复位流水线寄存器。仅用于 VAR_LOAD_PIPE 模式。
LD	Input	1	将 IDELAYE2 原语加载到 VARIABLE 模式下的预编程值。在 VAR_LOAD 模式下，它加载 CNTVALUEIN 的值。在 VAR_LOAD_PIPE 模式下，它加载当前在流水线寄存器中的值。
CE	Input	1	启用递增/递减功能。
INC	Input	1	增加/减少抽头延迟的数量。
CINVCTRL	Input	1	动态反转时钟极性。
CNTVALUEIN	Input	5	来自 FPGA 逻辑的计数器值，用于动态加载抽头值。
IDATAIN	Input	1	来自 IBUF 的 IDELAY 数据输入。
DATAIN	Input	1	来自 FPGA 逻辑的 IDELAY 数据输入。
LDPIPEEN	Input	1	使流水线寄存器能够加载数据。
DATAOUT	Output	1	来自两个数据输入端口（IDATAIN 或 DATAIN）之一的延迟数据。
CNTVALUEOUT	Output	5	计数器值进入 FPGA 逻辑以监控抽头值。

来自 IOB 的数据输入 - IDATAIN

IDATAIN 输入由其关联的 IOB 驱动。 IDELAY 可以将数据驱动到 ILOGICE2/ISERDESE2 或 ILOGICE3/ISERDESE2 模块，直接进入 FPGA 逻辑，或通过 DATAOUT 端口驱动到两者，延迟由 IDELAY_VALUE 设置。

来自 FPGA 逻辑的数据输入 - DATAIN

DATAIN 输入由提供逻辑可访问延迟线的 FPGA 逻辑直接驱动。数据通过 DATAOUT 端口驱动回 FPGA 逻辑，延迟由 IDELAY_VALUE 设置。 DATAIN 可以局部反转。无法将数据驱动到 IOB。

数据输出 - DATAOUT

来自两个数据输入端口的延迟数据。 DATAOUT 可以驱动到 ILOGICE2/ISERDESE2 或 ILOGICE3/ISERDESE2 块，直接到 FPGA 逻辑，或两者兼而有之。

时钟输入 - C

IDELAYE2 原语（REGRST、LD、CE 和 INC）的所有控制输入与时钟输入同步。当 IDELAY 配置为 VARIABLE、VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 模式时，必须将时钟连接到此端口。 C 可以局部反转，并且必须由全局或区域时钟缓冲器提供。如果 ODELAYE2 原语与 IDELAYE2 原语在同一个 I/O bank 中使用，C 必须为这两个原语使用相同的时钟网络。

模块负载 - LD

在 VARIABLE 模式下，IDELAY 加载端口 LD 加载由 IDELAY_VALUE 属性设置的值。 IDELAY_VALUE 属性的默认值为零。
使用默认值时，LD 端口作为 ILDELAY 的异步复位。
LD 信号为高电平有效信号，与输入时钟信号同步。
在 VAR_LOAD 模式下，IDELAY 加载端口 LD 加载由 CNTVALUEIN 设置的值。 CNTVALUEIN[4:0] 处的值将是新的抽头值。在 VAR_LOAD_PIPE 模式下，IDELAY 加载端口 LD 加载流水线寄存器中当前的值。流水线寄存器中的值将是新的抽头值。

C 引脚极性切换 - CINVCTRL

CINVCTRL 引脚用于动态切换 C 引脚的极性。这适用于故障不是问题的应用程序。切换极性时，不要在两个时钟周期内使用 IDELAY 控制引脚。

计数值输入 - CNTVALUEIN

CNTVALUEIN 引脚用于动态切换可加载抽头值。

计数值输出 - CNTVALUEOUT

CNTVALUEOUT 引脚用于报告加载的抽头值。

流水线寄存器复位 - REGRST

当为高电平时，该输入将流水线寄存器复位为全零。

增量/减量信号 - CE、INC

增量/减量由使能信号 (CE) 控制。此接口仅在 IDELAY 处于 VARIABLE、VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 模式时可用。

只要 CE 保持高电平，IDELAY 就会在每个时钟周期递增或递减 TIDELAYRESOLUTION。 INC的状态决定IDELAY是递增还是递减； INC = 1 递增，INC = 0 递减，与时钟同步。如果 CE 为低电平，则无论 INC 的状态如何，通过 IDELAY 的延迟都不会改变。

当 CE 变为高电平时，递增/递减操作在下一个时钟正沿开始。当 CE 变为低电平时，递增/递减操作在下一个时钟正沿停止。

IDELAYE2 原语中的可编程延迟抽头。当达到最后一个抽头延迟时（抽头 31），随后的增量函数将返回抽头 0。这同样适用于减量函数：从零开始递减移动到抽头 31。

VAR_LOAD_PIPE 模式下的流水线寄存器功能在总线结构设计中非常有用。可以使用 LDPIPEEN 一次（流水线）加载单个延迟，然后使用 LD 引脚将所有延迟同时更新为新值。

IDELAY 属性

下表总结了 IDELAY 属性。

Attribute	Value	Default Value	Description
IDELAY_TYPE	String: FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, or VAR_LOAD_PIPE	FIXED	设置抽头延迟线的类型。 FIXED 延迟设置静态延迟值。 VAR_LOAD 动态加载抽头值。 VARIABLE delay 动态调整延迟值。 VAR_LOAD_PIPE 类似于 VAR_LOAD 模式，能够存储 CNTVALUEIN 值以备将来更新。
DELAY_SRC	String: IDATAIN, DATAIN	IDATAIN	IDATAIN：IDELAY 链输入为 IDATAIN DATAIN：IDELAY 链输入为 DATAIN
IDELAY_VALUE	Integer: 0 to 31	0	指定固定模式下的固定延迟抽头数或可变模式下的初始起始抽头数（输入路径）。当 IDELAY_TYPE 设置为 VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 模式时，此值将被忽略并假定为零。
HIGH_PERFORMANCE_MODE	Boolean: FALSE or TRUE	TRUE	当为 TRUE 时，此属性会减少输出抖动。 Xilinx Power Estimator 工具对功耗差异进行了量化。
SIGNAL_PATTERN	String: DATA, CLOCK	DATA	使时序分析器考虑数据或时钟路径中适当的延迟链抖动量。
REFCLK_FREQUENCY	Real: 190 to 210, 290 to 310, or 390 to 410	200	设置时序分析器用于静态时序分析的抽头值（以 MHz 为单位）。 290.0 到 310.0 和 390 到 410 的范围并非在所有速度等级中都可用。请参阅 7 系列 FPGA 数据表。
CINVCTRL_SEL	Boolean: FALSE or TRUE	FALSE	启用 CINVCTRL_SEL 管脚以动态切换 C 管脚的极性。
PIPE_SEL	Boolean: FALSE or TRUE	FALSE	选择流水线模式。仅当使用 VAR_LOAD_PIPE 操作模式时，该属性才应设置为 TRUE。

IDELAY_TYPE 属性

DELAY_TYPE 属性设置使用的延迟类型。

当 IDELAY_TYPE 属性设置为 FIXED 时，抽头延迟值固定为 IDELAY_VALUE 属性设置确定的抽头数。该值是预设值，配置后无法更改。

当 IDELAY_TYPE 属性设置为 VARIABLE 时，选择可变抽头延迟。

可以通过设置 CE = 1 和 INC = 1 来增加抽头延迟，或者通过设置 CE = 1 和 INC = 0 来减少抽头延迟。增加/减少操作与 C 同步。当 IDELAY_TYPE 属性设置为 VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 时，可以更改可变抽头延迟并动态加载。可以通过设置 CE = 1 和 INC = 1 来增加抽头延迟，或者通过设置 CE = 1 和 INC = 0 来减少抽头延迟。递增/递减操作与 C 同步。该模式下的 LD 引脚加载在 CNTVALUEIN 上显示的值 VAR_LOAD 模式或之前在 VAR_LOAD_PIPE 模式下写入流水线寄存器的值。这允许动态设置抽头值。

IDELAY_VALUE 属性

IDELAY_VALUE 属性指定点击延迟的初始数量。可能的值是 0 到 31 之间的任何整数。默认值为 0。当抽头延迟复位（通过置位 LD 引脚）时，抽头延迟的值恢复为 IDELAY_VALUE。在 VARIABLE 模式下，此属性确定延迟线的初始设置。在 VAR_LOAD 或 VAR_LOAD_PIPE 模式下，不使用该属性，因此延迟线的初始值始终为零。

HIGH_PERFORMANCE_MODE 属性

当为 TRUE 时，该属性减少输出抖动。抖动的这种减少导致 IDELAYE2 原语的功耗略有增加。

SIGNAL_PATTERN 属性

时钟和数据信号具有不同的电气特性，因此会在 IDELAY 链中累积不同数量的抖动。通过设置 SIGNAL_PATTERN 属性，用户启用时序分析器以在计算时序时适当地考虑抖动。时钟信号本质上是周期性的，没有连续的 1 或 0 的长序列，而数据本质上是随机的，可以有长和短的 1 和 0 序列。

IDELAY 模式

当用作 IDELAY 时，数据输入来自 IBUF 或 FPGA 逻辑，输出到 ILOGICE2/ISERDESE2 或 ILOGICE3/ISERDESE2。有四种可用的操作模式：

固定延迟模式 (IDELAY_TYPE = FIXED)
在固定延迟模式中，延迟值在配置时预设为属性 IDELAY_VALUE 确定的抽头数。配置后，此值无法更改。在此模式下使用时，IDELAYCTRL 原语必须被实例化。
可变延迟模式（IDELAY_TYPE = VARIABLE）
在可变延迟模式下，延迟值可以在配置后通过操纵控制信号 CE 和 INC 来改变。在该模式下使用时，IDELAYCTRL 原语必须被实例化。
下表中描述了在 VARIABLE 模式下使用的控制引脚。

C	LD	CE	INC	TAP Setting
0	x	x	x	No Change
1	1	x	x	IDELAY_VALUE
1	0	0	x	No Change
1	0	1	1	Current Value +1
1	0	1	0	Current Value –1
1	0	0	0	No Change

可加载可变延迟模式 (IDELAY_TYPE = VAR_LOAD)
除了在该模式下具有与 (IDELAY_TYPE = VARIABLE) 相同的功能外，IDELAY 抽头还可以通过来自 FPGA 逻辑的 5 输入位 CNTVALUEIN< 4:0 > 加载。当 LD 产生脉冲时，出现在 CNTVALUEIN< 4:0 > 处的值将是新的抽头值。由于此功能，IDELAY_VALUE 属性被忽略。在此模式下使用时，IDELAYCTRL 原语必须被实例化。
下表描述了在 VAR_LOAD 模式下使用的控制引脚。

C	LD	CE	INC	CNTVALUEIN	CNTVALUEOUT	TAP Setting
0	x	x	x	x	No Change	No Change
1	1	x	x	CNTVALUEIN	CNTVALUEIN	CNTVALUEIN
1	0	0	x	x	No Change	No Change
1	0	1	1	x	Current Value +1	Current Value +1
1	0	1	0	x	Current Value –1	Current Value –1
1	0	0	0	0	No Change	No Change

IDELAY 时序

下表显示了 IDELAY 开关特性。

Symbol	Description
TIDELAYRESOLUTION	IDELAY抽头分辨率
TICECK/TICKCE	相对于 C的CE 引脚建立/保持时间
TIINCCK/TICKINC	相对于 C的INC 引脚建立/保持时间
TIRSTCK/TICKRST	相对于 C 的 LD 引脚建立/保持时间

示例时序

下图显示了 IDELAY（IDELAY_TYPE = VARIABLE、IDELAY_VALUE = 0 和 DELAY_SRC = IDATAIN）时序图。

时钟事件 1

在 C 的上升沿，检测到复位（LD 为高电平），导致输出 DATAOUT 选择抽头 0 作为 31 抽头链的输出。

时钟事件 2

在 C 的上升沿捕获 CE 和 INC 上的脉冲。这表示增量操作。输出从抽头 0 到抽头 1 无毛刺地变化。

时钟事件 3

CE 和 INC 不再有效，从而完成递增操作。输出无限期地保持在抽头 1，直到 LD、CE 或 INC 引脚上有进一步的活动。

VAR_LOAD 模式

下图显示了 VAR_LOAD 模式下的 IDELAY 时序图。

时钟事件 0

在 LD 产生脉冲之前，抽头设置和因此 CNTVALUEOUT 处于未知值。

时钟事件 1

在 C 的上升沿，LD 被检测为高电平，导致输出 DATAOUT 具有由 CNTINVALUE 定义的延迟，并将抽头设置更改为抽头 2。更新 CNTVALUEOUT 以表示新的抽头值。

时钟事件 2

在 C 的上升沿捕获 CE 和 INC 上的脉冲。这表示增量操作。输出从抽头 2 到抽头 3 无毛刺地变化。CNTVALUEOUT 被更新以表示新的抽头值。

时钟事件 3

在 C 的上升沿，LD 被检测为高电平，导致输出 DATAOUT 被 CNTINVALUE 延迟。 CNTVALUEOUT 显示抽头设置的值。
输出将无限期地保持在抽头 10，直到 LD、CE 或 INC 引脚上有进一步的活动。

递增/递减操作后的稳定性

下图显示了响应 INC 和 CE 命令时从抽头 0 变为抽头 1 的延迟线。显然，当抽头 0 处的数据值与抽头 1 处的数据值不同时，输出必须改变状态。但是，当抽头 0 和抽头 1 处的数据值相同（例如，两者均为 0 或均为 1）时，从抽头 0 到抽头 1 的转换不会导致输出出现故障或中断。通过想象接收器数据信号通过 IDELAY 抽头链，可以更好地理解这个概念。如果抽头 0 和抽头 1 都在接收器数据眼图的中心附近，那么在抽头 0 处采样的数据将与在抽头 1 处采样的数据没有什么不同。在这种情况下，从抽头 0 到抽头 1 的转换不会导致更改为输出。为确保这种情况，IDELAY 的递增/递减操作被设计为无毛刺。同样的解释也适用于图 2-13 中所示的 VAR_LOAD 行为。然而，VAR_LOAD 确实提供了将延迟更改不止一次的可能性，这可能会导致采样点远离当前眼图中心点。

因此，用户可以在实时用户数据通过 IDELAYE2 原语时实时动态调整 IDELAY 抽头设置。只要当前延迟线值接近接收数据眼图的中间，这些调整就不会中断实时用户数据。

当在时钟信号路径中使用 IDELAYE2 原语时，无毛刺行为也适用。调整抽头设置不会导致输出出现毛刺或中断，前提是延迟线值不在接收到的时钟信号中看到的边沿附近。在这种情况下，可以调整时钟路径中 IDELAYE2 原语的抽头设置，而不会中断任何时钟管理元素或可能在该时钟上运行的状态机。

IDELAYCTRL简介

IDELAYCTRL 概述

如果实例化 IDELAYE2 或 ODELAYE2 原语，则还必须实例化 IDELAYCTRL 模块。 IDELAYCTRL 模块连续校准其区域内的各个延迟抽头 (IDELAY/ODELAY)，以减少工艺、电压和温度变化的影响。 IDELAYCTRL 模块使用用户提供的 REFCLK 校准 IDELAY 和 ODELAY。

IDELAYCTRL 原语

下图显示了 IDELAYCTRL 原语。

IDELAYCTRL 端口

RST - 复位

复位输入引脚 (RST) 是高电平有效异步复位。为确保 IDELAY 和 ODELAY 正常运行，IDELAYCTRL 必须在配置后复位并且 REFCLK 信号稳定。 需要一个复位脉冲宽度、TIDELAYCTRL_RPW。

REFCLK - 参考时钟

参考时钟 (REFCLK) 为 IDELAYCTRL 提供时间参考，以校准同一区域中的所有 IDELAY 和 ODELAY 模块。该时钟必须由全局或水平时钟缓冲器（BUFG 或 BUFH）驱动。 REFCLK 必须为 FIDELAYCTRL_REF ± 指定的 ppm 容差 (IDELAYCTRL_REF_PRECISION)，以保证指定的 IDELAY 和 ODELAY 分辨率 (TIDELAYRESOLUTION)。 REFCLK 可以直接从用户提供的源或 MMCM 提供，并且必须在全局时钟缓冲器上布线。

RDY - 就绪

就绪 (RDY) 信号指示何时校准特定区域中的 IDELAY 和 ODELAY 模块。如果 REFCLK 保持高电平或低电平超过一个时钟周期，则 RDY 信号无效。如果 RDY 置低，则必须复位 IDELAYCTRL 模块。实现工具允许 RDY 不连接/忽略。图 2-15 说明了 RDY 和 RST 之间的时序关系。