2-3-38 AMD(XILINX)FPGA LVDS Select IO高速Serdes
软件版本：VIVADO2021.1操作系统：WIN10 64bit硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA登录米联客(MiLianKe)FPGA社区-www.uisrc.com观看免费视频课程、在线答疑解惑！1 概述高速串行通信优势非常巨大，只需要很少的IO引脚就可以实现高速通信，这也是当今FPGA高速接口的核心技术。比如XILINX的7代FPGA，GTX可以达到10.3125Gbps,ultrascale FPGA的GTH可以达到16Gbps。目前国产FPGA还难以达到这么高的接口速度。高速串行通信经常需要用到XILINX FPGA内部专用的SERDESE模块来实现串并转换。LVDS配合SERDESE可以充分发挥FPGA的高速接口优势。SERDESE分输入和输出，输入采用ISERDESE，输出采用OSERDESE。OSERDESE的使用要比ISERDESE简单。不同的FPGA构架，SERDESE的结构有一些差异，在使用的时候需要注意，比如7代FPGA的SERDESE和ultrascale系列的SERDESE就有一些差异，7代的FPGA程序移植到ultrascale系需要做一些必要的修改。米联客2022版本教程需要更加全方位介绍FPGA的基础知识，当然也包括了一些底层的接口技术。本文笔者主要根据官方技术手册，以及官方给出的demo例程，通过仿真手段，让读者更加全方位了解XILINX FPGA底层硬件的高速接口应用技术。本文涉及到一些概念也会是读者第一次遇到，包括idelay延迟原语的使用，时钟管理原语MMCME2_ADV和PLLE2_ADV的使用，ISERDESE串并转换和OSERDESE，并串转换原语的使用。其中很关键一点时使用idelay延迟模块以及ISERDESE原语中BITSLIP功能，实现数据的正确采集。本文需要用到的官方技术文档包括：对于7代FPGA包括ug471,xapp585。本文首先以xapp585提供的demo介绍实现7:1的并串转换和1:7的串并转换。2 IDELAYE介绍XILINX FPGA高速通信中经常会用到idelaye模块对信号做细微的时序调整。2.1 IDELAYCTRLIDELAYCTRL 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);
IDELAYCTRL用于管理组内所有IDELAY或ODELAY的资源一个IO BANK里面只有一个IDELAYCTRL。REFCLK是参考时钟输入，这个时钟决定了每个tap的精度，tap的分辨率计算公式如下：TIDELAYRESOLUTION=1/(32x 2 x FREF））这样对于200M参考时钟，1个tap分辨率为：1/200M*32*2=78ps。2.2 IDELAYE2
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 );
参数描述
参数值默认描述
IDELAY_TYPEString: FIXED,VARIABLE,VAR_LOAD或VAR_LOAD_PIPEFIXED定义延时类型
DELAY_SRCString: IDATAIN,DATAINIDATAIN选择延时源
IDELAY_VALUEInteger: 0 to 310固定延时值和其他模式的初值
HIGH_PERFORMANCE_MODEBoolean: FALSE 或TRUETRUE为TRUE的时候减少输出jitter，否则减少功耗
SIGNAL_PATTERNString:DATA, CLOCKDATA指定时序分析工具按时钟还是数据路径进行分析
REFCLK_FREQUENCYReal: 190 to 210 或290 to 310200设置静态时序分析的Tap值
CINVCTRL_SELBoolean: FALSE or TRUEFALSE设置是否动态转换C的极性
PIPE_SELBoolean: FALSE or TRUEFALSE选择是否使用Pipline模式
信号描述
端口方向位宽描述
CI1时钟输入，当使用VARIABLE, VAR_LOAD或 VAR_LOAD_PIPE模式下的时钟输入，必须是由BUFG或BUFR驱动，当使用SelectIO资源时，必须和它的时钟源相同。
REGRSTI1复位pipeline寄存器，仅在VAR_LOAD_PIPE模式下有效
LDI1VARIABLE模式：加载预编程值；VAR_LOAD模式：加载CNTVALUEIN值；VAR_LOAD_PIPE模式：加载当前pipeline寄存器的值。
INCI1INC/DEC增加，减少的Tap数
CEI1使能INC和DEC功能，只在VARIABLE, VAR_LOAD或 VAR_LOAD_PIPE模式下有效；当CE保持为高的时候，每一个C周期都增加或减少一个TIDELAYRESOLUTION的时延。
CINVCTRLI1动态翻转C的极性，当使用该功能时，需禁止IDELAY control引脚2个cycle。
CNTVALUEINI5来自FPGA逻辑的动态Tap值
IDATAINI1来自IBUF的数据输入，输出可驱动FPGA逻辑、ILOGICE和ISERDESE
DATAINI1来自FPGA逻辑的数据输入，输出不可驱动IOB
LDPIPEENI1使能pipeline寄存器加载数据
DATAOUTO1延时输出的数据
CNTVALUEOUTO5Tap值输出，用于FPGA监测
2.3 IDELAY Timing DiagramIDELAY_TYPE = VARIABLE, IDELAY_VALUE = 0, and DELAY_SRC = IDATAINClock Event 0：在LD有效前，CNTVALUEOUT输出为未知值；Clock Event 1：在C的上升沿，检测到复位（LD为高电平），加载预装值IDELAY_VALUE，数据在抽头(抽头为了形象描述数据的位的延迟位置)tap0上。Clock Event 2：CE和INC上的脉冲在C的上升沿被捕获。这表示递增操作。输出增加1个tap延迟输出，这个时候抽头在tap1上。Clock Event 3CE和INC不再有效， 输出会保持在tap1上，直到LD，CE或INC引脚上有进一步的动作。也就是后面的数据都会由1个tap的延迟吗，如果是200M时钟就是78ps
IDELAY timing diagram in VAR_LOAD modeClock Event 0：在LD有效前，CNTVALUEOUT输出为未知值；Clock Event 1：在C的上升沿采样到LD有效，此时DATAOUT延时CNTVALUEIN指定的延时Taps，改变tap Setting到Tap2，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值；Clock Event 2：INC和CE有效，此时指定了增量操作，Tap值加1，DATAOUT输出从Tap2更新到Tap3，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值；Clock Event 3LD有效，DATAOUT输出延时更新到Tap10，CNTVALUEOUT更新到新的Tap值。3 SERDESE原语介绍3.1 7 系列FPGA的OSERDESE
OSERDESE2 #( .DATA_RATE_OQ("DDR"), // DDR, SDR .DATA_RATE_TQ("DDR"), // DDR, BUF, SDR .DATA_WIDTH(4), // Parallel data width (2-8,10,14) .INIT_OQ(1'b0), // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1) .INIT_TQ(1'b0), // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1) .SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE .SRVAL_OQ(1'b0), // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1) .SRVAL_TQ(1'b0), // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1) .TBYTE_CTL("FALSE"), // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE) .TBYTE_SRC("FALSE"), // Tristate byte source (FALSE, TRUE) .TRISTATE_WIDTH(4) // 3-state converter width (1,4) ) OSERDESE2_inst ( .OFB(OFB), // 1-bit output: Feedback path for data .OQ(OQ), // 1-bit output: Data path output // SHIFTOUT1 / SHIFTOUT2: 1-bit (each) output: Data output expansion (1-bit each) .SHIFTOUT1(SHIFTOUT1), .SHIFTOUT2(SHIFTOUT2), .TBYTEOUT(TBYTEOUT), // 1-bit output: Byte group tristate .TFB(TFB), // 1-bit output: 3-state control .TQ(TQ), // 1-bit output: 3-state control .CLK(CLK), // 1-bit input: High speed clock .CLKDIV(CLKDIV), // 1-bit input: Divided clock // D1 - D8: 1-bit (each) input: Parallel data inputs (1-bit each) .D1(D1), .D2(D2), .D3(D3), .D4(D4), .D5(D5), .D6(D6), .D7(D7), .D8(D8), .OCE(OCE), // 1-bit input: Output data clock enable .RST(RST), // 1-bit input: Reset // SHIFTIN1 / SHIFTIN2: 1-bit (each) input: Data input expansion (1-bit each) .SHIFTIN1(SHIFTIN1), .SHIFTIN2(SHIFTIN2), // T1 - T4: 1-bit (each) input: Parallel 3-state inputs .T1(T1), .T2(T2), .T3(T3), .T4(T4), .TBYTEIN(TBYTEIN), // 1-bit input: Byte group tristate .TCE(TCE) // 1-bit input: 3-state clock enable );
参数功能：
AttributeDescriptionValueDefault Value
DATA_RATE_OQ数据传输是DDR或SDR方式String: SDR or DDRDDR
DATA_RATE_TQ三态是DDR或SDR或BUF方式String: BUF, SDR, or DDRDDR
DATA_WIDTH定义并行端口的位宽，这个值和DATA_RATE_OQ相关Integer: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, or 14In SDR mode, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 are valid.In DDR mode, 2, 4, 6, 8, 10, and 14are valid.
SERDES_MODEOSERDESE2是master还是slaveString: MASTER or SLAVEMASTER
TRISTATE_WIDTH定义并串转换，三态转换器的位宽Integer: 1 or 44
TBYTE_CTL仅通过MIG(ddr 控制器)使用FALSE, TRUEFALSE
TBYTE_SRC仅通过MIG(ddr 控制器)使用FALSE, TRUEFALSE
信号功能：
Port NameTypeWidthDescription
OQOutput1串行数据输出
OFBOutput1数据路径输出反馈到ISERDESE2或连接到ODELAYE2
TQOutput1三态控制输出到IOB
TFBOutput1三态控制输出,说明OSERDESE2是三态
SHIFTOUT1Output1进位输出以扩展数据宽度。连接到主OSERDESE2的SHIFTIN1
SHIFTOUT2Output1进行输出以扩展数据宽度。连接到主OSERDESE2的SHIFTIN2
CLKInput1高速时钟输入
CLKDIVInput1CLK时钟的分频时钟
D1 to D8Input1并行数据输入
TCEInput1三态时钟使能
OCEInput1输出数据时钟使能
TBYTEINInput1字节组三态输入
TBYTEOUTOutput1字节组三态输出
RSTInput1高电平复位
SHIFTIN1Input1进位输入以扩展数据宽度。连接到从属OSERDESE2的SHIFTOUT1
SHIFTIN2Input1进位输入以扩展数据宽度。连接到从属OSERDESE2的SHIFTOUT2
T1 to T4Output1并联三态输入
1、OSERDESE2级联扩展位宽下图通过级联2个OSERDESE2实现10：1的并串转换2、Timing Characteristics of 2:1 SDR SerializationClock Event 1OSERDESE2的D1 D2端口数据为未知Clock Event 2数据A B 到达OSERDESE2的D1 D2端口Clock Event 3在AB被采样后的一个CLK周期，数据位A出现在OQ,再下一个周期，输出数据位B3、Timing Characteristics of 8:1 DDR SerializationClock Event 1OSERDESE2的D1 D2端口数据为未知Clock Event 2数据A B 到达OSERDESE2的输入端口，并被采样Clock Event 3输入从OQ依次输出ABCDEFGHClock Event 4下一组输出开始
4、Timing Characteristics of 4:1 DDR 3-State Controller SerializationClock Event 1T1，T2和T4被驱动为低电平以释放三态条件。 OSERDESE2中T1-T4和D1-D4的串行化路径相同（包括等待时间），因此在时钟事件1期间，EFGH位始终与T1-T4引脚上显示的0010对齐。Clock Event 2在将EFGH采样到OSERDESE2之后的一个CLK周期的OQ处依次出现数据位E，F,X,H3.2 7 系列FPGA的ISERDESE
ISERDESE2 #( .DATA_RATE("DDR"), // DDR, SDR .DATA_WIDTH(4), // Parallel data width (2-8,10,14) .DYN_CLKDIV_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKDIVINVSEL inversion (FALSE, TRUE) .DYN_CLK_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKINVSEL inversion (FALSE, TRUE) // INIT_Q1 - INIT_Q4: Initial value on the Q outputs (0/1) .INIT_Q1(1'b0), .INIT_Q2(1'b0), .INIT_Q3(1'b0), .INIT_Q4(1'b0), .INTERFACE_TYPE("MEMORY"), // MEMORY, MEMORY_DDR3, MEMORY_QDR, NETWORKING, OVERSAMPLE .IOBDELAY("NONE"), // NONE, BOTH, IBUF, IFD .NUM_CE(2), // Number of clock enables (1,2) .OFB_USED("FALSE"), // Select OFB path (FALSE, TRUE) .SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE // SRVAL_Q1 - SRVAL_Q4: Q output values when SR is used (0/1) .SRVAL_Q1(1'b0), .SRVAL_Q2(1'b0), .SRVAL_Q3(1'b0), .SRVAL_Q4(1'b0) ) ISERDESE2_inst ( .O(O), // 1-bit output: Combinatorial output // Q1 - Q8: 1-bit (each) output: Registered data outputs .Q1(Q1), .Q2(Q2), .Q3(Q3), .Q4(Q4), .Q5(Q5), .Q6(Q6), .Q7(Q7), .Q8(Q8), // SHIFTOUT1, SHIFTOUT2: 1-bit (each) output: Data width expansion output ports .SHIFTOUT1(SHIFTOUT1), .SHIFTOUT2(SHIFTOUT2), .BITSLIP(BITSLIP), // 1-bit input: The BITSLIP pin performs a Bitslip operation synchronous to // CLKDIV when asserted (active High). Subsequently, the data seen on the Q1 // to Q8 output ports will shift, as in a barrel-shifter operation, one // position every time Bitslip is invoked (DDR operation is different from // SDR). // CE1, CE2: 1-bit (each) input: Data register clock enable inputs .CE1(CE1), .CE2(CE2), .CLKDIVP(CLKDIVP), // 1-bit input: TBD // Clocks: 1-bit (each) input: ISERDESE2 clock input ports .CLK(CLK), // 1-bit input: High-speed clock .CLKB(CLKB), // 1-bit input: High-speed secondary clock .CLKDIV(CLKDIV), // 1-bit input: Divided clock .OCLK(OCLK), // 1-bit input: High speed output clock used when INTERFACE_TYPE="MEMORY" // Dynamic Clock Inversions: 1-bit (each) input: Dynamic clock inversion pins to switch clock polarity .DYNCLKDIVSEL(DYNCLKDIVSEL), // 1-bit input: Dynamic CLKDIV inversion .DYNCLKSEL(DYNCLKSEL), // 1-bit input: Dynamic CLK/CLKB inversion // Input Data: 1-bit (each) input: ISERDESE2 data input ports .D(D), // 1-bit input: Data input .DDLY(DDLY), // 1-bit input: Serial data from IDELAYE2 .OFB(OFB), // 1-bit input: Data feedback from OSERDESE2 .OCLKB(OCLKB), // 1-bit input: High speed negative edge output clock .RST(RST), // 1-bit input: Active high asynchronous reset // SHIFTIN1, SHIFTIN2: 1-bit (each) input: Data width expansion input ports .SHIFTIN1(SHIFTIN1), .SHIFTIN2(SHIFTIN2) ); // End of ISERDESE2_inst instantiation
参数功能：
AttributeDescriptionValueDefault Value
DATA_RATE数据传输是DDR或SDR方式String: SDR or DDRDDR
DATA_WIDTH定义串并转换并口的位宽Integer: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10 or 14.If DATA_RATE = DDR, value islimited to 4, 6, 8, 10, or 14.If DATA_RATE = SDR, value islimited to 2, 3, 4, 5, 6, 7, or 8.4
DYN_CLKDIV_INV_ENCLKDIV时钟极性动态设置使能，仅在MEMORY_QDR 和MEMORY_DDR3模式下使用，本文用不到。Boolean: TRUE or FALSEFALSE
DYN_CLK_INV_ENCLK时钟极性动态设置使能，仅在MEMORY_QDR 和MEMORY_DDR3模式下使用，本文用不到。Boolean: TRUE or FALSEMEMORY
INTERFACE_TYPE接口类型是memory 或者 networkingString: MEMORY,MEMORY_DDR3,MEMORY_QDR,OVERSAMPLE, orNETWORKING4
NUM_CE使能需要用到的时钟数量(CE1和CE2)Integer: 1 or 22
OFB_USED启用从OLOGICE2 / 3，OSERDESE2 OFB引脚到ISERDESE2 OFB引脚的路径。禁止使用D输入引脚。Boolean: TRUE or FALSEFALSE
SERDES_MODE扩展模式下ISERDESE2是主模式还是从模式String: MASTER or SLAVEMASTER
INIT_Q1设置第一个采样寄存器的初始值Binary: 0 or 10
INIT_Q2设置第二个采样寄存器的初始值Binary: 0 or 10
INIT_Q3设置第三个采样寄存器的初始值Binary: 0 or 10
INIT_Q4设置第四个采样寄存器的初始值Binary: 0 or 10
SRVAL_Q1设置第一个采样寄存器复位后的值Binary: 0 or 11
SRVAL_Q2设置第二个采样寄存器复位后的值Binary: 0 or 11
SRVAL_Q3设置第三个采样寄存器复位后的值Binary: 0 or 11
SRVAL_Q4设置第四个采样寄存器复位后的值Binary: 0 or 11
IOBDELAY设置延迟输入是否寄存输出NONE, IBUF, IFD, or BOTHNONE
信号功能：
Port NameTypeWidthDescription
Q1 – Q8Output1 (each)串转并后的并行输出
OOutput1输出的是没有寄存过的输入D或者DDLY
SHIFTOUT1Output1进位级联，当多个ISERDESE级联,接到下一个ISERDESE的SHIFTIN1
SHIFTOUT2Output1进位级联，当多个ISERDESE级联,接到下一个ISERDESE的SHIFTIN2
DInput1来自IOB串行数据输入
DDLYInput1来自IDELAY2延迟输入后的数据输入
CLKInput1高速时钟输入
CLKBInput1第二个高速时钟输入，仅用于MEMORY_QDR模式。除非处于MEMORY_QDR模式，否则始终连接到~CLK。
CE1, CE2Input1时钟输入使能
RSTInput1高电平复位
CLKDIVInput1CLK时钟的分频时钟
CLKDIVPInput1仅通过MIG工具支持。由PHASER_IN在MEMORY_DDR3模式下划分的CLK来源。 所有其他模式都接地。
OCLKInput1用于存储器应用的高速时钟输入
BITSLIPInput1调用Bitslip操作，
SHIFTIN1Output1进位级联，当多个ISERDESE级联,接到上一个ISERDESE的SHIFTOUT1
SHIFTIN2Output1进位级联，当多个ISERDESE级联,接到上一个ISERDESE的SHIFTOUT2
OFBOutput1来自OLOGICE2或OLOGICE3和OSERDESE2输出的反馈路径
DYNCLKDIVSELInput1动态选择CLKDIV反转
DYNCLKSELInput1动态选择CLK和CLKB反转
ISERDESE2使用起来相对复杂一些，接下来我们对一些必要的概念继续介绍。1、ISERDESE2数据转换位宽的支持ISERDESE2 在SDR模式下数据转换的位宽可以为2、3、4、5、6、7、8bit，在DDR模式时，数据转换位宽为4、6、8bit， 2个ISERDESE2级联使用，DDR模式可以支持10、14bit。如下图所示通过2个ISERDESE2级联出10bit,14bit位宽数据接口。2、串并转换后的数据顺序如上图所示，可以看到数据的大小端是反了过来。3、数据对齐Bitslip用来实现并行数据的边界对齐。串行输入的8bit的数据，经过串并转换后，数据之间可能会错位，这是串并转换无法识别的，因此Bitslip就专门用来找到用户需要的并行数据边界。对于SDR模式，Bitslip使能1次，则数据会左移1次，对于8bit并行数据，移动8次完成一个循环，可以这样无止境的循环，直到找到用户定义的并行数据。对于DDR模式，Bitslip工作方式不同，Bitslip使能1次，数据会右移1次或者左移3次，两者交替进行，同样移动8次完成一个循环。Clock Event 1第一个字CDAB已被采样到ISERDESE2的输入侧寄存器中。Bitslip引脚未置位，数据没有任何重新对齐。Clock Event 2Bitslip引脚被置为有效，这使Bitslip控制器在内部将所有数据位向右移一位。 Bitslip在一个（仅一个）CLKDIV周期内保持高电平。Clock Event 3置位Bitslip后的三个CLKDIV周期，Bitslip操作完成，新的移位数据作为BCDA在输出上可用。Clock Event 4于ISERDESE2配置为1：4，因此Bitslip最多可以再声明两次。 在第二次移位后（此DDR还剩三个位置），在Q4-Q1上提供了（必需）输出ABCD。 在第三次移位后（右移一个位置），输出DABC在Q4-Q1上可用。 第四次移位（剩下三个位置）之后，原始输出CDAB在Q4-Q1上可用，并且Bitslip已完成所有四个输入组合的循环。4、时钟1)、网络接口类型时钟要求(NETWORKING Interface Type)CLK 和CLKDIV必须确保相位相同。CLK由BUFIO驱动，CLKDIV由BUFR驱动CLK由MMCM或PLL驱动，CLKDIV由同一MMCM或PLL的CLKOUT 驱动当使用MMCM驱动ISERDESE2的CLK和CLKDIV时，不能混用提供ISERDESE2的缓冲器类型。例如，如果CLK由BUFG驱动，则CLKDIV也必须由BUFG驱动。另外，MMCM可以通过BUFIO和BUFR驱动ISERDESE2。2、内存接口类型时钟要求(MEMORY Interface Type)CLK由BUFIO驱动，OCLK由BUFIO驱动并且CLKDIV由BUFR驱动CLK由MMCM或者PLL驱动，OCLK由MMCM或者PLL驱动，CLKDIV由相同的MMCM或者PLL驱动CLK由BUFG驱动，OCLK由BUFG驱动，CLKDIV由不同的BUFG驱动以上是笔者整理的关于ISERDESE2的资料，更多详细的资料可以阅读ug4714 SERDESE的应用对于用过米联客板卡的用户不知不觉中已经用上了SERDESE了，比如HDMI输出的IP就是用到了OSERDESE,实现了10:1的并串转换。Xilinx 7系列FPGA包含ISERDES和OSERDES原语，串并设计非常简单，并且在使用逐位偏移校正时，可以根据芯片的系列和等级在415 Mbps至1200 Mbps的速度下进行更高的操作而较低的操作速度使用静态数据对齐。本文主要以官方的xapp585介绍SERDESE的应用。一般官方给出的demo功能都会比较复杂，但是各方面需要演示的功能比较全面。xapp585介绍了如何结合使用混合模式时钟管理器（MMCM）或锁相环（PLL）来有效地使用ISERDES和OSERDES，以使用低压差分信号（LVDS）数据接收和传输7：1数据，使用逐位偏移校正时，传输速率为415 Mbps至1200 Mb / s，具体取决于所使用的系列和速度等级。笔者把使用到了ug471，ug472,xapp585以及源码放到uisrc/06_doc路径下,方便读者查阅。其中xapp585中verilog源码放到uisrc/01_rtl中。 xapp585中提供的demo实现了7:1并串转换和1:7串并转换。对于SDR模式可以直接通过1个OSERDES实现并串转换，1个ISERDES实现串并转换。对于DDR模式，可以使用2个SERDES扩展到14个位宽实现。具体的下面我们以xapp585给出的demo分析。4.1 XAPP585源码概述首先看下SDR模式的源码，可以看到RX端的串并转换有比TX端的并串转换要负责
以下是DDR模式下的源码在xapp585中，RX接收端需要实现6条line的串并转换，读者看到下面的图是不是有些疑惑？下图只有5条line多出的一条line是什么呢？这时候我们有必要看下代码，编写代码的人，必须有代码分析的能力，我们学习编程，应当以阅读代码为主，查阅资料为辅。下面代码来自xapp585中SDR接口RX接收部分，结合上图，可以看出demo中的代码有2个通路，每个通路数据通道是5条Line还有一条line是时钟。
DDR接口类似xapp585demo演示的是SDR和DDR实现相同的串并转换方案4.2 并串转换PLL时钟ISERDES和OSERDES都支持SDR和DDR模式，SDR消耗的资源少，但是受限于FPGA的最高运行时钟，如果超过了FPGA的最大运行时钟必须考虑用DDR模式。下表是7系列FPGA的时钟参数情况。以OSERDES中clock_generator_pll_7_to_1_diff_sdr.v为例。文件中MCME2_ADV和PLLE2_ADV原语是实现XILINX FPGA时钟管理的IP 原。Xapp585支持2种方式。本例中实际应用了PLLE2_ADV。
IBUFGDS #( .DIFF_TERM (DIFF_TERM))clk_iob_in ( .I (clkin_p), .IB (clkin_n), .O (clkint));
generateif (USE_PLL == "FALSE") begin : loop8 // use an MMCMassign status = 1'b1 ;assign status = 2'b00 ;
MMCME2_ADV #( .BANDWIDTH ("OPTIMIZED"), .CLKFBOUT_MULT_F (7*MMCM_MODE), .CLKFBOUT_PHASE (0.0), .CLKIN1_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKIN2_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKOUT0_DIVIDE_F (MMCM_MODE), .CLKOUT0_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT0_PHASE (0.0), .CLKOUT1_DIVIDE (8), .CLKOUT1_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT1_PHASE (0.0), .CLKOUT2_DIVIDE (7*MMCM_MODE), .CLKOUT2_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT2_PHASE (0.0), .CLKOUT3_DIVIDE (8), .CLKOUT3_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT3_PHASE (0.0), .CLKOUT4_DIVIDE (8), .CLKOUT4_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT4_PHASE (0.0), .CLKOUT5_DIVIDE (8), .CLKOUT5_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT5_PHASE (0.0), .COMPENSATION ("ZHOLD"), .DIVCLK_DIVIDE (1), .REF_JITTER1 (0.100)) tx_mmcme2_adv_inst ( .CLKFBOUT (txpllmmcm_x1), .CLKFBOUTB (), .CLKFBSTOPPED (), .CLKINSTOPPED (), .CLKOUT0 (txpllmmcm_xn), .CLKOUT0B (), .CLKOUT1 (), .CLKOUT1B (), .CLKOUT2 (), .CLKOUT2B (), .CLKOUT3 (), .CLKOUT3B (), .CLKOUT4 (), .CLKOUT5 (), .CLKOUT6 (), .DO (), .DRDY (), .PSDONE (), .PSCLK (1'b0), .PSEN (1'b0), .PSINCDEC (1'b0), .PWRDWN (1'b0), .LOCKED (mmcm_lckd), .CLKFBIN (pixel_clk), .CLKIN1 (clkint), .CLKIN2 (1'b0), .CLKINSEL (1'b1), .DADDR (7'h00), .DCLK (1'b0), .DEN (1'b0), .DI (16'h0000), .DWE (1'b0), .RST (reset)) ;
if (PIXEL_CLOCK == "BUF_G") begin // Final clock selection BUFGbufg_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (PIXEL_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1),.CE(1'b1),.O(pixel_clk),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (TX_CLOCK == "BUF_G") begin // Sample clock selection BUFGbufg_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (TX_CLOCK == "BUFIO") begin BUFIO bufio_mmcm_xn (.I (txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b11 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b10 ; end
endelse begin // Use a PLLassign status = 1'b0 ;assign status = 2'b00 ;
PLLE2_ADV #( .BANDWIDTH ("OPTIMIZED"), .CLKFBOUT_MULT (7*MMCM_MODE), .CLKFBOUT_PHASE (0.0), .CLKIN1_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKIN2_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKOUT0_DIVIDE (MMCM_MODE), .CLKOUT0_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT0_PHASE (0.0), .CLKOUT1_DIVIDE (14*MMCM_MODE), .CLKOUT1_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT1_PHASE (0.0), .CLKOUT2_DIVIDE (7*MMCM_MODE), .CLKOUT2_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT2_PHASE (0.0), .CLKOUT3_DIVIDE (8), .CLKOUT3_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT3_PHASE (0.0), .CLKOUT4_DIVIDE (8), .CLKOUT4_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT4_PHASE (0.0), .CLKOUT5_DIVIDE (8), .CLKOUT5_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT5_PHASE (0.0), .COMPENSATION ("ZHOLD"), .DIVCLK_DIVIDE (1), .REF_JITTER1 (0.100)) tx_mmcme2_adv_inst ( .CLKFBOUT (txpllmmcm_x1), .CLKOUT0 (txpllmmcm_xn), .CLKOUT1 (), .CLKOUT2 (), .CLKOUT3 (), .CLKOUT4 (), .CLKOUT5 (), .DO (), .DRDY (), .PWRDWN (1'b0), .LOCKED (mmcm_lckd), .CLKFBIN (pixel_clk), .CLKIN1 (clkint), .CLKIN2 (1'b0), .CLKINSEL (1'b1), .DADDR (7'h00), .DCLK (1'b0), .DEN (1'b0), .DI (16'h0000), .DWE (1'b0), .RST (reset)) ;
if (PIXEL_CLOCK == "BUF_G") begin // Final clock selection BUFGbufg_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (PIXEL_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1),.CE(1'b1),.O(pixel_clk),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (TX_CLOCK == "BUF_G") begin // Sample clock selection BUFGbufg_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b01 ; end else if (TX_CLOCK == "BUFIO") begin BUFIO bufio_mmcm_xn (.I (txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b11 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b10 ; end
endendgenerate
txclk : pixel_clk = 7:1，其中txpllmmcm_x1对应pixel_clk ,txpllmmcm_xn对应txclk对于时钟计算可阅读ug472,这里不是本文的重点。再来看下DDR下由于无法直接用1个OSERDES实现7:1的转换，官方给出的例子使用了2个OSERDES,这个我们下面会分析，先看下时钟的关系：pixel_clk: txclk_div: txclk=2:1:7 这个比值关系对应的是每2个pixel_clk也就是2个7bits数据共14bits经过2个OSERDES以1:7的速率实现并串转换(DDR模式下，1个txclk可以发2个bit数据)。当读者看到我的分析肯定还是有疑惑所以一定要对照源码分析。
IBUFGDS #( .DIFF_TERM (DIFF_TERM))clk_iob_in ( .I (clkin_p), .IB (clkin_n), .O (clkint));
generateif (USE_PLL == "FALSE") begin : loop8 // use an MMCMassign status = 1'b1 ;
MMCME2_ADV #( .BANDWIDTH ("OPTIMIZED"), .CLKFBOUT_MULT_F (7*MMCM_MODE), .CLKFBOUT_PHASE (0.0), .CLKIN1_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKIN2_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKOUT0_DIVIDE_F (2*MMCM_MODE), .CLKOUT0_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT0_PHASE (0.0), .CLKOUT1_DIVIDE (14*MMCM_MODE), .CLKOUT1_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT1_PHASE (0.0), .CLKOUT2_DIVIDE (7*MMCM_MODE), .CLKOUT2_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT2_PHASE (0.0), .CLKOUT3_DIVIDE (8), .CLKOUT3_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT3_PHASE (0.0), .CLKOUT4_DIVIDE (8), .CLKOUT4_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT4_PHASE (0.0), .CLKOUT5_DIVIDE (8), .CLKOUT5_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT5_PHASE (0.0), .COMPENSATION ("ZHOLD"), .DIVCLK_DIVIDE (1), .REF_JITTER1 (0.100)) tx_mmcme2_adv_inst ( .CLKFBOUT (txpllmmcm_x1), .CLKFBOUTB (), .CLKFBSTOPPED (), .CLKINSTOPPED (), .CLKOUT0 (txpllmmcm_xn), .CLKOUT0B (), .CLKOUT1 (txpllmmcm_d2), .CLKOUT1B (), .CLKOUT2 (), .CLKOUT2B (), .CLKOUT3 (), .CLKOUT3B (), .CLKOUT4 (), .CLKOUT5 (), .CLKOUT6 (), .DO (), .DRDY (), .PSDONE (), .PSCLK (1'b0), .PSEN (1'b0), .PSINCDEC (1'b0), .PWRDWN (1'b0), .LOCKED (mmcm_lckd), .CLKFBIN (pixel_clk), .CLKIN1 (clkint), .CLKIN2 (1'b0), .CLKINSEL (1'b1), .DADDR (7'h00), .DCLK (1'b0), .DEN (1'b0), .DI (16'h0000), .DWE (1'b0), .RST (reset)) ;
if (PIXEL_CLOCK == "BUF_G") begin // Final clock selection BUFGbufg_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (PIXEL_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1),.CE(1'b1),.O(pixel_clk),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (INTER_CLOCK == "BUF_G") begin // Intermediate clock selection BUFGbufg_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2), .O(txclk_div)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (INTER_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2),.CE(1'b1),.O(txclk_div),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2), .O(txclk_div)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (TX_CLOCK == "BUF_G") begin // Sample clock selection BUFGbufg_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (TX_CLOCK == "BUFIO") begin BUFIO bufio_mmcm_xn (.I (txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b11 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b10 ; end
endelse begin
assign status = 1'b0 ; // Use a PLL
PLLE2_ADV #( .BANDWIDTH ("OPTIMIZED"), .CLKFBOUT_MULT (7*MMCM_MODE), .CLKFBOUT_PHASE (0.0), .CLKIN1_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKIN2_PERIOD (CLKIN_PERIOD), .CLKOUT0_DIVIDE (2*MMCM_MODE), .CLKOUT0_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT0_PHASE (0.0), .CLKOUT1_DIVIDE (14*MMCM_MODE), .CLKOUT1_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT1_PHASE (0.0), .CLKOUT2_DIVIDE (7*MMCM_MODE), .CLKOUT2_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT2_PHASE (0.0), .CLKOUT3_DIVIDE (8), .CLKOUT3_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT3_PHASE (0.0), .CLKOUT4_DIVIDE (8), .CLKOUT4_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT4_PHASE (0.0), .CLKOUT5_DIVIDE (8), .CLKOUT5_DUTY_CYCLE (0.5), .CLKOUT5_PHASE (0.0), .COMPENSATION ("ZHOLD"), .DIVCLK_DIVIDE (1), .REF_JITTER1 (0.100)) tx_mmcme2_adv_inst ( .CLKFBOUT (txpllmmcm_x1), .CLKOUT0 (txpllmmcm_xn), .CLKOUT1 (txpllmmcm_d2), .CLKOUT2 (), .CLKOUT3 (), .CLKOUT4 (), .CLKOUT5 (), .DO (), .DRDY (), .PWRDWN (1'b0), .LOCKED (mmcm_lckd), .CLKFBIN (pixel_clk), .CLKIN1 (clkint), .CLKIN2 (1'b0), .CLKINSEL (1'b1), .DADDR (7'h00), .DCLK (1'b0), .DEN (1'b0), .DI (16'h0000), .DWE (1'b0), .RST (reset)) ;
if (PIXEL_CLOCK == "BUF_G") begin // Final clock selection BUFGbufg_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (PIXEL_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1),.CE(1'b1),.O(pixel_clk),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_x1 (.I(txpllmmcm_x1), .O(pixel_clk)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (INTER_CLOCK == "BUF_G") begin // Intermediate clock selection BUFGbufg_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2), .O(txclk_div)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (INTER_CLOCK == "BUF_R") begin BUFR #(.BUFR_DIVIDE("1"),.SIM_DEVICE("7SERIES"))bufr_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2),.CE(1'b1),.O(txclk_div),.CLR(1'b0)) ; assign status = 2'b01 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_d2 (.I(txpllmmcm_d2), .O(txclk_div)) ; assign status = 2'b10 ; end
if (TX_CLOCK == "BUF_G") begin // Sample clock selection BUFGbufg_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b00 ; end else if (TX_CLOCK == "BUFIO") begin BUFIO bufio_mmcm_xn (.I (txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b11 ; end else begin BUFHbufh_mmcm_xn (.I(txpllmmcm_xn), .O(txclk)) ; assign status = 2'b10 ; end
end
endgenerate
4.3 并串转换OSERDESE使用以上我们简单介绍了时钟部分的设计，接下来看数据部分，具体如何实现并串转换。首先我们看下如何将时钟通过OSERDESE发送出去。先看下简单的SDR实现数据时钟的发送对应的文件是serdes_7_to_1_diff_sdr.v，其中clk_pattern=7'b1100001，可以在top5x2_7to1_sdr_tx.v找到parameter TX_CLK_GEN = 7'b1100001 ;这是一个占空比为3:4的时钟，SDR模式只要一个OSERDES就可以实现。
OBUFDS io_clk_out ( .O (clkout_p), .OB (clkout_n), .I (tx_clk_out));
OSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (7), // SERDES word width .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("MASTER")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_cm ( .OQ (tx_clk_out), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_int), .CLKDIV (pixel_clk), .D8 (1'b0), .D7 (clk_pattern), .D6 (clk_pattern), .D5 (clk_pattern), .D4 (clk_pattern), .D3 (clk_pattern), .D2 (clk_pattern), .D1 (clk_pattern), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 (), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0)) ;
再看下DDR模式下的数据时钟的发送，对应的文件是serdes_7_to_1_diff_ddr.v，可以看到DDR模式下采用了2个OSERDES级联实现和SDR的时钟参数一样clk_pattern=7'b1100001。如果有一些疑问可以看下前面"串并转换后的数据顺序"中图片描述。这里用2个OSERDESE2发送了2个clk_pattern。
OBUFDS io_clk_out ( .O (clkout_p), .OB (clkout_n), .I (tx_clk_out));
OSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (14), // SERDES word width .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("DDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("MASTER")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_cm ( .OQ (tx_clk_out), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_intr), .CLKDIV (txclk_div), .D8 (clk_pattern), .D7 (clk_pattern), .D6 (clk_pattern), .D5 (clk_pattern), .D4 (clk_pattern), .D3 (clk_pattern), .D2 (clk_pattern), .D1 (clk_pattern), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 (), .SHIFTIN1 (cascade_cdi), .SHIFTIN2 (cascade_cti)) ;
OSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (14), // SERDES word width. .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("DDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("SLAVE")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_cs ( .OQ (), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_intr), .CLKDIV (txclk_div), .D8 (clk_pattern), .D7 (clk_pattern), .D6 (clk_pattern), .D5 (clk_pattern), .D4 (clk_pattern), .D3 (clk_pattern), .D2 (1'b0), .D1 (1'b0), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (cascade_cdi), .SHIFTOUT2 (cascade_cti), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0)) ;
再看SDR的OSERDES数据的并串发送部分，以下代码中主要用到了generate语法对0~4路5条line进行并串数据转换
generatefor (i = 0 ; i <= (D-1) ; i = i+1)begin : loop0
OBUFDS io_data_out ( .O (dataout_p), .OB (dataout_n), .I (tx_data_out));
// re-arrange data bits for transmission and invert lines as given by the mask// NOTE If pin inversion is required (non-zero SWAP MASK) then inverters will occur in fabric, as there are no inverters in the OSERDESE2// This can be avoided by doing the inversion (if necessary) in the user logic
for (j = 0 ; j <= 6 ; j = j+1) begin : loop1 if (DATA_FORMAT == "PER_CLOCK") begin assign mdataina = datain ^ TX_SWAP_MASK ; end else begin assign mdataina = datain ^ TX_SWAP_MASK ; endend
OSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (7), // SERDES word width .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("MASTER")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_m ( .OQ (tx_data_out), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_int), .CLKDIV (pixel_clk), .D8 (1'b0), .D7 (mdataina[(7*i)+6]), .D6 (mdataina[(7*i)+5]), .D5 (mdataina[(7*i)+4]), .D4 (mdataina[(7*i)+3]), .D3 (mdataina[(7*i)+2]), .D2 (mdataina[(7*i)+1]), .D1 (mdataina[(7*i)+0]), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 (), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0)) ;
End
endgenerate
DDR的数据的OSERDES并串发送部分，以下代码中主要用到了generate语法对0~4路5条line进行并串数据转换
generatefor (i = 0 ; i <= (D-1) ; i = i+1) begin : loop0OBUFDS io_data_out ( .O (dataout_p), .OB (dataout_n), .I (tx_data_out));// re-arrange data bits for transmission and invert lines as given by the mask// NOTE If pin inversion is required (non-zero SWAP MASK) then inverters will occur in fabric, as there are no inverters in the OSERDESE2// This can be avoided by doing the inversion (if necessary) in the user logic// TX_SWAP_MASK not available when IN_FIFO is usedfor (j = 0 ; j <= 13 ; j = j+1) begin : loop1 if (DATA_FORMAT == "PER_CLOCK") begin assign mdataina = dataint ^ TX_SWAP_MASK ; end else begin if (j < 7) begin assign mdataina = dataint[(7*i)+j] ^ TX_SWAP_MASK ; end else begin assign mdataina = dataint[(7*i)+j-7+D*7] ^ TX_SWAP_MASK; end endendOSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (14), // SERDES word width .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("DDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("MASTER")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_m ( .OQ (tx_data_out), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_intr), .CLKDIV (txclk_div), .D8 (mdataina[(14*i)+7]), .D7 (mdataina[(14*i)+6]), .D6 (mdataina[(14*i)+5]), .D5 (mdataina[(14*i)+4]), .D4 (mdataina[(14*i)+3]), .D3 (mdataina[(14*i)+2]), .D2 (mdataina[(14*i)+1]), .D1 (mdataina[(14*i)+0]), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 (), .SHIFTIN1 (cascade_di), .SHIFTIN2 (cascade_ti)) ;OSERDESE2 #( .DATA_WIDTH (14), // SERDES word width. .TRISTATE_WIDTH (1), .DATA_RATE_OQ ("DDR"), // <SDR>, DDR .DATA_RATE_TQ ("SDR"), // <SDR>, DDR .SERDES_MODE ("SLAVE")) // <DEFAULT>, MASTER, SLAVEoserdes_s ( .OQ (), .OCE (1'b1), .CLK (txclk), .RST (reset_intr), .CLKDIV (txclk_div), .D8 (mdataina[(14*i)+13]), .D7 (mdataina[(14*i)+12]), .D6 (mdataina[(14*i)+11]), .D5 (mdataina[(14*i)+10]), .D4 (mdataina[(14*i)+9]), .D3 (mdataina[(14*i)+8]), .D2 (1'b0), .D1 (1'b0), .TQ (), .T1 (1'b0), .T2 (1'b0), .T3 (1'b0), .T4 (1'b0), .TCE (1'b1), .TBYTEIN (1'b0), .TBYTEOUT (), .OFB (), .TFB (), .SHIFTOUT1 (cascade_di), .SHIFTOUT2 (cascade_ti), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0)) ; endendgenerate
4.4 SDR ISERDESE使用4.4.1 SDR ISERDESE时钟恢复ISERDESE的作用是和OSERDESE相反的过程，但是比OSERDESE稍微复杂一些。ISERDESE代码需要实现自动找到最佳的数据采样点，自动完成数据对其，其中的加入了IDELAY和BITSLIP功能的使用，以及一些状态机代码。笔者下面根据XAPP585中给出的demo源码分析。我们先看下新的概念IDELAY(ug471中有详细介绍)。为了使用IDELAY需要先设置IDELAYCTRL，并且提供200M或者300M的参考时钟，如下代码，这段代码在文件top5x2_7to1_sdr_rx.v中，在top5x2_7to1_ddr_rx.v中也有相同的代码。
IBUF iob_200m_in( .I (refclkin), .O (refclkint));
BUFG bufg_200_ref ( .I (refclkint), .O (refclkintbufg)) ;
IDELAYCTRL icontrol ( // Instantiate input delay control block .REFCLK (refclkintbufg), .RST (reset), .RDY (delay_ready));
代码会自动搜索最佳的delay延迟，这是如何实现的呢?首先我们看下代码中的bit_rate_value的值，在文件serdes_1_to_7_mmcm_idelay_sdr.v中有如下代码。比如设置bit_rate_value=0560,那么代表了serdes的速率是560Mbps，根据下面代码得出bt_val=5'h17(bt_val=5'd23)。如果idelay的参考时钟是200MHZ 那么每个延迟节拍是78ps，23*78ps= 1,794 ps = 557 Mb/s.最接近560Mbps.
assign bit_time_value = bt_val ;
always @ (bit_rate_value) begin // Generate tap number to be used for input bit rate if (bit_rate_value > 16'h1068) begin bt_val <= 5'h0C ; end else if (bit_rate_value > 16'h0986) begin bt_val <= 5'h0D ; end else if (bit_rate_value > 16'h0916) begin bt_val <= 5'h0E ; end else if (bit_rate_value > 16'h0855) begin bt_val <= 5'h0F ; end else if (bit_rate_value > 16'h0801) begin bt_val <= 5'h10 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0754) begin bt_val <= 5'h11 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0712) begin bt_val <= 5'h12 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0675) begin bt_val <= 5'h13 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0641) begin bt_val <= 5'h14 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0611) begin bt_val <= 5'h15 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0583) begin bt_val <= 5'h16 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0557) begin bt_val <= 5'h17 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0534) begin bt_val <= 5'h18 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0513) begin bt_val <= 5'h19 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0493) begin bt_val <= 5'h1A ; end else if (bit_rate_value > 16'h0475) begin bt_val <= 5'h1B ; end else if (bit_rate_value > 16'h0458) begin bt_val <= 5'h1C ; end else if (bit_rate_value > 16'h0442) begin bt_val <= 5'h1D ; end else if (bit_rate_value > 16'h0427) begin bt_val <= 5'h1E ; end else begin bt_val <= 5'h1F ; endend
以上是完成了最高速度，最大延迟的参数选择，具体如何自动计算呢？先看下XAPP585中给出的计算原理。找到传输速率对应的最大delay延迟参数，最大延迟参数的延迟不超过最大速度的周期，我们这里仿真文件中需要选择时钟为80M(默认是100M)在tb_top5x2_7to1_sdr设置always #(6250) pixelclock_p = ~pixelclock_p ;所以计算出串行速度是7*80M=560Mbps有了个560Mbps的参数，就可以选出bit_rate_value为0557，所以bt_val为17h先取出bt_val的中间值，17h的中间值是0Bh。把差分时钟的n延迟0Bh，把差分时钟的p延迟17h。代码如下：
// Clock input
IBUFGDS_DIFF_OUT #( .DIFF_TERM (DIFF_TERM), .IBUF_LOW_PWR ("FALSE"))iob_clk_in ( .I (clkin_p), .IB (clkin_n), .O (rx_clk_in_p), .OB (rx_clk_in_n));
genvar i ;genvar j ;
IDELAYE2 #( .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (1), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_cm( .DATAOUT (rx_clkin_p_d), .C (rxclk_div), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (rx_clk_in_p), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN (c_delay_in), .CNTVALUEOUT ());
IDELAYE2 #( .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (1), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_cs( .DATAOUT (rx_clk_in_n_d), .C (rxclk_div), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (~rx_clk_in_n), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN ({1'b0, bt_val}), .CNTVALUEOUT ());
通过ISERDESE把时钟的n实现串并转换。
ISERDESE2 #( .DATA_WIDTH (7), .DATA_RATE ("SDR"),//.SERDES_MODE ("MASTER"), .IOBDELAY ("IFD"), .INTERFACE_TYPE ("NETWORKING"))iserdes_cm ( .D (1'b0), .DDLY (rx_clk_in_n_d), .CE1 (1'b1), .CE2 (1'b1), .CLK (rxclk), .CLKB (~rxclk), .RST (rstcserdes), .CLKDIV (rxclk_div), .CLKDIVP (1'b0), .OCLK (1'b0), .OCLKB (1'b0), .DYNCLKSEL (1'b0), .DYNCLKDIVSEL (1'b0), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0), .BITSLIP (bslip), .O (), .Q8 (), .Q7 (clk_iserdes_data), .Q6 (clk_iserdes_data), .Q5 (clk_iserdes_data), .Q4 (clk_iserdes_data), .Q3 (clk_iserdes_data), .Q2 (clk_iserdes_data), .Q1 (clk_iserdes_data), .OFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 ());
通过控制每次减1个tap，减少idelay延迟，并且通过ISERDESE检测时钟的跳变。当第一次跳变发生的时候，代表检测到了时钟的跳变沿，假设这个时候bt_val=05h,05h<0Bh 所以计算出时钟的0BH+05H =10H 具体代码如下：
always @ (posedge rxclk_div) begin // clk_iserdes_data_d <= clk_iserdes_data ; if ((clk_iserdes_data != clk_iserdes_data_d) && (clk_iserdes_data != 7'h00) && (clk_iserdes_data != 7'h7F)) begin data_different <= 1'b1 ; end else begin data_different <= 1'b0 ; endend
always @ (posedge rxclk_div) begin // clock delay shift state machine not_rx_mmcm_lckd_int <= ~(mmcm_locked & idelay_rdy) ; rstcserdes <= not_rx_mmcm_lckd_int | rst_iserdes ; if (not_rx_mmcm_lckd_int == 1'b1) begin scount <= 6'h00 ; state2 <= 0 ; state2_count <= 5'h00 ; locked_out <= 1'b0 ; chfoundc <= 1'b1 ; c_delay_in <= bt_val ; // Start the delay line at the current bit period rst_iserdes <= 1'b0 ; c_loop_cnt <= 2'b00 ; end else begin if (scount == 1'b0) begin scount <= scount + 6'h01 ; end state2_count <= state2_count + 5'h01 ; if (chfoundc == 1'b1) begin chfound <= 1'b0 ; end else if (chfound == 1'b0 && data_different == 1'b1) begin chfound <= 1'b1 ; end if ((state2_count == 5'h1F && scount == 1'b1)) begin case(state2) 0 : begin // decrement delay and look for a change if (chfound == 1'b1 || (c_loop_cnt == 2'b11 && c_delay_in == 5'h00)) begin// quit loop if we've been around a few times chfoundc <= 1'b1 ; state2 <= 1 ; end else begin chfoundc <= 1'b0 ; if (c_delay_in != 5'h00) begin // check for underflow c_delay_in <= c_delay_in - 5'h01 ; end else begin c_delay_in <= bt_val ; c_loop_cnt <= c_loop_cnt + 2'b01 ; end end end 1 : begin // add half a bit period using input information state2 <= 2 ; if (c_delay_in < {1'b0, bt_val}) begin // choose the lowest delay value to minimise jitter c_delay_in_target <= c_delay_in + {1'b0, bt_val} ; end else begin c_delay_in_target <= c_delay_in - {1'b0, bt_val} ; end end 2 : begin if (c_delay_in == c_delay_in_target) begin state2 <= 3 ; end else begin if (c_delay_in_ud == 1'b1) begin // move gently to end position to stop MMCM unlocking c_delay_in <= c_delay_in + 5'h01 ; c_delay_in_ud <= 1'b1 ; end else begin c_delay_in <= c_delay_in - 5'h01 ; c_delay_in_ud <= 1'b0 ; end end end 3 : begin rst_iserdes <= 1'b1 ; state2 <= 4 ; end // remove serdes reset default : begin // issue locked out signal rst_iserdes <= 1'b0 ;locked_out <= 1'b1 ; end endcase end endend
如果解出的时钟值不是1100001或者1100011就需要用到Bslip调整，每次设置Bslip调整一次。
// Bitslip state machine
always @ (posedge rxclk_div)beginif (locked_out == 1'b0) begin bslip <= 1'b0 ; bsstate <= 1 ; enable <= 1'b0 ; bcount <= 4'h0 ; bs_finished <= 1'b0 ; not_bs_finished <= 1'b1 ;endelse begin enable <= 1'b1 ; if (enable == 1'b1) begin if (clk_iserdes_data != 7'b1100001) begin flag1 <= 1'b1 ; end else begin flag1 <= 1'b0 ; end if (clk_iserdes_data != 7'b1100011) begin flag2 <= 1'b1 ; end else begin flag2 <= 1'b0 ; end if (bsstate == 0) begin if (flag1 == 1'b1 && flag2 == 1'b1) begin bslip <= 1'b1 ; // bitslip needed bsstate <= 1 ; end else begin bs_finished <= 1'b1 ; // bitslip done not_bs_finished <= 1'b0 ; // bitslip done end end else if (bsstate == 1) begin bslip <= 1'b0 ; bcount <= bcount + 4'h1 ; if (bcount == 4'hF) begin bsstate <= 0 ; end end endendend
现在结合下仿真结果看下，在下图的箭头所示，接收的clk_data是7bit时钟数据，通过调整c_delay_in值调整idelay每次减1个tap，直到clk_data发生改变，可以看到这个值是0b整好是和中间值相等。这个时候状态机state2也会进入状态1，这个时候计算出c_delay_in_target=0，这个就是我们需要延迟的时间，可以看到需要延迟的时间为0，这种情况非常理想，如果实际程序跑起来一般不会是0，因为我们这里只做了RTL级行为仿真。之后进入状态2.
在状态2中继续调整c_delay_in直到和c_delay_in_target相等，如下图，可以看到clk_data=1100001b 是占比3:4的时钟就恢复出来了。4.4.2 SDR ISERDESE数据恢复再看SDR数据部分的串并接收，先看下面源码，ISERDESE的应用，关键还是如何获取的idelay的延迟参数。这里有delay_controller_wrap.v中的代码控制数据部分的延迟参数。
generatefor (i = 0 ; i <= D-1 ; i = i+1)begin : loop3
delay_controller_wrap # ( .S (7))dc_inst ( .m_datain (mdataout), .s_datain (sdataout), .enable_phase_detector(enable_phase_detector), .enable_monitor (enable_monitor), .reset (not_bs_finished), .clk (rxclk_div), .c_delay_in ({1'b0, bt_val}), .m_delay_out (m_delay_val_in), .s_delay_out (s_delay_val_in), .data_out (mdataoutd), .bt_val (bt_val), .del_mech (1'b0), .m_delay_1hot (m_delay_1hot), .results (eye_info)) ;
// Data bit Receivers
IBUFDS_DIFF_OUT #( .DIFF_TERM (DIFF_TERM))data_in ( .I (datain_p), .IB (datain_n), .O (rx_data_in_p), .OB (rx_data_in_n));
assign rx_data_in_m = rx_data_in_p^ RX_SWAP_MASK ;assign rx_data_in_s = ~rx_data_in_n ^ RX_SWAP_MASK ;
IDELAYE2 #( .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (0), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_m( .DATAOUT (rx_data_in_md), .C (rxclk_div), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (rx_data_in_m), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN (m_delay_val_in), .CNTVALUEOUT ());
ISERDESE2 #( .DATA_WIDTH (7), .DATA_RATE ("SDR"), .SERDES_MODE ("MASTER"), .IOBDELAY ("IFD"), .INTERFACE_TYPE ("NETWORKING"))iserdes_m ( .D (1'b0), .DDLY (rx_data_in_md), .CE1 (1'b1), .CE2 (1'b1), .CLK (rxclk), .CLKB (~rxclk), .RST (rst_iserdes), .CLKDIV (rxclk_div), .CLKDIVP (1'b0), .OCLK (1'b0), .OCLKB (1'b0), .DYNCLKSEL (1'b0), .DYNCLKDIVSEL (1'b0), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0), .BITSLIP (bslip), .O (), .Q8 (), .Q7 (mdataout), .Q6 (mdataout), .Q5 (mdataout), .Q4 (mdataout), .Q3 (mdataout), .Q2 (mdataout), .Q1 (mdataout), .OFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 ());
IDELAYE2 #( .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (0), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_s( .DATAOUT (rx_data_in_sd), .C (rxclk_div), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (rx_data_in_s), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN (s_delay_val_in), .CNTVALUEOUT ());
ISERDESE2 #( .DATA_WIDTH (7), .DATA_RATE ("SDR"),//.SERDES_MODE ("SLAVE"), .IOBDELAY ("IFD"), .INTERFACE_TYPE ("NETWORKING"))iserdes_s ( .D (1'b0), .DDLY (rx_data_in_sd), .CE1 (1'b1), .CE2 (1'b1), .CLK (rxclk), .CLKB (~rxclk), .RST (rst_iserdes), .CLKDIV (rxclk_div), .CLKDIVP (1'b0), .OCLK (1'b0), .OCLKB (1'b0), .DYNCLKSEL (1'b0), .DYNCLKDIVSEL (1'b0), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0), .BITSLIP (bslip), .O (), .Q8 (), .Q7 (sdataout), .Q6 (sdataout), .Q5 (sdataout), .Q4 (sdataout), .Q3 (sdataout), .Q2 (sdataout), .Q1 (sdataout), .OFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 ());
for (j = 0 ; j <= 6 ; j = j+1) begin : loop1 // Assign data bits to correct serdes according to required format if (DATA_FORMAT == "PER_CLOCK") begin assign rx_data = mdataoutd ; end else begin assign rx_data = mdataoutd ; endendendendgenerate
delay_controller_wrap.v中的代码看起来比较难以理解，先看下仿真结果。可以看到s_delay_out的值为00h，m_delay_out的值为0bh.至于这个delay_controller_wrap.v中其他一些功能都没用到。4.5 DDR ISERDESE使用4.5.1 DDR ISERDESE时钟恢复前面分析SDR ISERDESE就花费了不少篇幅，DDR ISERDESE要更难一些，但是应用上更广泛一些。有了SDR ISERDESE部分的详细分析，DDR ISERDESE就是难度大了分析起来也简单多了。由于无法直接使用1个ISERDESE实现1:7的转换。首先看下top5x2_7to1_ddr_rx.v中的代码，这里的时钟是151.5M, 151.5M *7=1060Mbps,bit_rate_value=1060。
10n_x_serdes_1_to_7_mmcm_idelay_ddr #( .N (2), .SAMPL_CLOCK ("BUFIO"), .INTER_CLOCK ("BUF_R"), .PIXEL_CLOCK ("BUF_G"), .USE_PLL ("FALSE"), .HIGH_PERFORMANCE_MODE("FALSE"), .D (D), // Number of data lines .REF_FREQ (200.0), // Set idelay control reference frequency .CLKIN_PERIOD (6.600), // Set input clock period .MMCM_MODE (1), // Parameter to set multiplier for MMCM to get VCO in correct operating range. 1 multiplies input clock by 7, 2 multiplies clock by 14, etc .DIFF_TERM ("TRUE"), .DATA_FORMAT ("PER_CLOCK")) // PER_CLOCK or PER_CHANL data formattingrx0 ( .clkin_p (clkin_p), .clkin_n (clkin_n), .datain_p (datain_p), .datain_n (datain_n), .enable_phase_detector(1'b1), // enable phase detector operation .enable_monitor (1'b0), // enables data eye monitoring .dcd_correct (1'b0), // enables clock duty cycle correction .rxclk (), .rxclk_d4 (), // intermediate clock, use with data monitoring logic .idelay_rdy (delay_ready), .pixel_clk (rx_pixel_clk), .reset (reset), .rx_mmcm_lckd (rx_mmcm_lckd), .rx_mmcm_lckdps (rx_mmcm_lckdps), .rx_mmcm_lckdpsbs (rx_mmcm_lckdpsbs), .clk_data (), .rx_data (rxdall), .bit_rate_value (16'h1050), // required bit rate value in BCD .bit_time_value (), .status (), .eye_info (), // data eye monitor per line .m_delay_1hot (), // sample point monitor per line .debug ()) ; // debug bus
bit_rate_value=1060,idelay的参考时钟是200M,可以得出delay的tap最大值为0DH，如果参考时钟是300M，中有dcd_correct的功能，笔者暂时不清楚如何使用也就不分析，我们这里的时钟是200M
if (REF_FREQ < 210.0) beginalways @ (bit_rate_value) begin // Generate tap number to be used for input bit rate (200 MHz ref clock) if (bit_rate_value > 16'h1984) begin bt_val <= 5'h07 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1717) begin bt_val <= 5'h08 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1514) begin bt_val <= 5'h09 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1353) begin bt_val <= 5'h0A ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1224) begin bt_val <= 5'h0B ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1117) begin bt_val <= 5'h0C ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h1027) begin bt_val <= 5'h0D ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0951) begin bt_val <= 5'h0E ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0885) begin bt_val <= 5'h0F ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0828) begin bt_val <= 5'h10 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0778) begin bt_val <= 5'h11 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0733) begin bt_val <= 5'h12 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0694) begin bt_val <= 5'h13 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0658) begin bt_val <= 5'h14 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0626) begin bt_val <= 5'h15 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0597) begin bt_val <= 5'h16 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0570) begin bt_val <= 5'h17 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0546) begin bt_val <= 5'h18 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0524) begin bt_val <= 5'h19 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0503) begin bt_val <= 5'h1A ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0484) begin bt_val <= 5'h1B ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0466) begin bt_val <= 5'h1C ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0450) begin bt_val <= 5'h1D ; del_mech <= 1'b0 ; end else if (bit_rate_value > 16'h0435) begin bt_val <= 5'h1E ; del_mech <= 1'b0 ; end else begin bt_val <= 5'h1F ; del_mech <= 1'b0 ; end // min bit rate 420 Mbpsendend else beginalways @ (bit_rate_value or dcd_correct) begin // Generate tap number to be used for input bit rate (300 MHz ref clock) if ((bit_rate_value > 16'h2030 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1845 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0A ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1836 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1669 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0B ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1675 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1523 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0C ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1541 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1401 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0D ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1426 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1297 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0E ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1328 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1207 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h0F ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1242 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1129 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h10 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1167 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h1061 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h11 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1100 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0999 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h12 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h1040 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0946 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h13 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0987 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0897 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h14 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0939 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0853 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h15 ; del_mech <= 1'b1 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0895 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0814 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h16 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0855 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0777 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h17 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0819 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0744 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h18 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0785 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0714 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h19 ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0754 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0686 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h1A ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0726 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0660 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h1B ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0700 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0636 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h1C ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0675 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0614 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h1D ; del_mech <= 1'b0 ; end else if ((bit_rate_value > 16'h0652 && dcd_correct == 1'b0) || (bit_rate_value > 16'h0593 && dcd_correct == 1'b1)) begin bt_val <= 5'h1E ; del_mech <= 1'b0 ; end else begin bt_val <= 5'h1F ; del_mech <= 1'b0 ; end // min bit rate 631 Mbpsendend
先取出bt_val的中间值，0Dh的中间值是06h。把差分时钟的n延迟06h，把差分时钟的p延迟0Dh。代码如下，由于ddr模式没有直接实现1:7转换，所以先用iserdes实现了1:4转换，再用gearbox实现4:7的转换。
IBUFGDS_DIFF_OUT #( .DIFF_TERM (DIFF_TERM), .IBUF_LOW_PWR ("FALSE"))iob_clk_in ( .I (clkin_p), .IB (clkin_n), .O (rx_clk_in_p), .OB (rx_clk_in_n));
genvar i ;genvar j ;
IDELAYE2 #( .REFCLK_FREQUENCY (REF_FREQ), .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (1), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_cm( .DATAOUT (rx_clkin_p_d), .C (rxclk_d4), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (rx_clk_in_p), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN (c_delay_in), .CNTVALUEOUT ());
IDELAYE2 #( .REFCLK_FREQUENCY (REF_FREQ), .HIGH_PERFORMANCE_MODE(HIGH_PERFORMANCE_MODE), .IDELAY_VALUE (1), .DELAY_SRC ("IDATAIN"), .IDELAY_TYPE ("VAR_LOAD"))idelay_cs( .DATAOUT (rx_clk_in_n_d), .C (rxclk_d4), .CE (1'b0), .INC (1'b0), .DATAIN (1'b0), .IDATAIN (~rx_clk_in_n), .LD (1'b1), .LDPIPEEN (1'b0), .REGRST (1'b0), .CINVCTRL (1'b0), .CNTVALUEIN ({1'b0, bt_val}), .CNTVALUEOUT ());
ISERDESE2 #( .DATA_WIDTH (4), .DATA_RATE ("DDR"), //.SERDES_MODE ("MASTER"), .IOBDELAY ("IFD"), .INTERFACE_TYPE ("NETWORKING"), .NUM_CE (1)) iserdes_cs ( .D (1'b0), .DDLY (rx_clk_in_n_d), .CE1 (1'b1), .CE2 (1'b1), .CLK (rxclk), .CLKB (~rxclk), .RST (rstcserdes), .CLKDIV (rxclk_d4), .CLKDIVP (1'b0), .OCLK (1'b0), .OCLKB (1'b0), .DYNCLKSEL (1'b0), .DYNCLKDIVSEL (1'b0), .SHIFTIN1 (1'b0), .SHIFTIN2 (1'b0), .BITSLIP (bslip), .O (), .Q8 (), .Q7 (), .Q6 (), .Q5 (), .Q4 (cdataout), .Q3 (cdataout), .Q2 (cdataout), .Q1 (cdataout), .OFB (), .SHIFTOUT1 (), .SHIFTOUT2 ());
4.5.2 DDR ISERDESE数据恢复Gearbox实现4:7转换，代码在gearbox_4_to_7.v中Gearbox中使用到了BRAM
module gearbox_4_to_7 (input_clock, output_clock, datain, reset, jog, reset_out, dataout) ;
parameter integer D = 8 ; // Parameter to set the number of data lines
input input_clock ; // high speed clock inputinput output_clock ; // low speed clock inputinput datain ; // data inputsinput reset ; // Reset lineinput jog ; // jog input, slips by 4 bitsoutputreg reset_out ; // reset out signaloutputreg dataout ; // data outputs
reg read_addra ; reg read_addrb ; reg read_addrc ; reg write_addr ; reg read_enable ;reg read_enable_dom_ch ; wire ramouta ; wire ramoutb ; wire ramoutc ; reg local_reset ;reg local_reset_dom_ch ; reg mux ; wire dummy ; reg jog_int ;reg rst_int ;genvar i ;
always @ (posedge input_clock) begin // generate local sync reset if (reset == 1'b1) begin local_reset <= 1'b1 ; reset_out <= 1'b1 ; end else begin local_reset <= 1'b0 ; reset_out <= 1'b0 ; endend
always @ (posedge input_clock) begin // Gearbox input - 4 bit data at input clock frequency if (local_reset == 1'b1) begin write_addr <= 4'h0 ; read_enable <= 1'b0 ; end else begin if (write_addr == 4'hD) begin write_addr <= 4'h0 ; end else begin write_addr <= write_addr + 4'h1 ; end if (write_addr == 4'h3) begin read_enable <= 1'b1 ; end endend
always @ (posedge output_clock) begin read_enable_dom_ch <= read_enable ; local_reset_dom_ch <= local_reset ;end
always @ (posedge output_clock) begin // Gearbox output - 10 bit data at output clock frequency reset_out <= rst_int ; if (local_reset_dom_ch == 1'b1 || read_enable_dom_ch == 1'b0) begin rst_int <= 1'b1 ; end else begin rst_int <= 1'b0 ; end if (reset_out == 1'b1) begin read_addra <= 4'h0 ; read_addrb <= 4'h1 ; read_addrc <= 4'h2 ; jog_int <= 1'b0 ; end else begin case (jog_int) 1'b0 : begin case (read_addra) 4'h0 : begin read_addra <= 4'h1 ; read_addrb <= 4'h2 ; read_addrc <= 4'h3 ; mux <= 2'h1 ; end 4'h1 : begin read_addra <= 4'h3 ; read_addrb <= 4'h4 ; read_addrc <= 4'h5 ; mux <= 2'h2 ; end 4'h3 : begin read_addra <= 4'h5 ; read_addrb <= 4'h6 ; read_addrc <= 4'h7 ; mux <= 2'h3 ; end 4'h5 : begin read_addra <= 4'h7 ; read_addrb <= 4'h8 ; read_addrc <= 4'h9 ; mux <= 2'h0 ; end 4'h7 : begin read_addra <= 4'h8 ; read_addrb <= 4'h9 ; read_addrc <= 4'hA ; mux <= 2'h1 ; end 4'h8 : begin read_addra <= 4'hA ; read_addrb <= 4'hB ; read_addrc <= 4'hC ; mux <= 2'h2 ; end 4'hA : begin read_addra <= 4'hC ; read_addrb <= 4'hD ; read_addrc <= 4'hD ; mux <= 2'h3 ; jog_int <= jog ; end default : begin read_addra <= 4'h0 ; read_addrb <= 4'h1 ; read_addrc <= 4'h2 ; mux <= 2'h0 ; end endcase end 1'b1 : begin case (read_addra) 4'h1 : begin read_addra <= 4'h2 ; read_addrb <= 4'h3 ; read_addrc <= 4'h4 ; mux <= 2'h1 ; end 4'h2 : begin read_addra <= 4'h4 ; read_addrb <= 4'h5 ; read_addrc <= 4'h6 ; mux <= 2'h2 ; end 4'h4 : begin read_addra <= 4'h6 ; read_addrb <= 4'h7 ; read_addrc <= 4'h8 ; mux <= 2'h3 ; end 4'h6 : begin read_addra <= 4'h8 ; read_addrb <= 4'h9 ; read_addrc <= 4'hA ; mux <= 2'h0 ; end 4'h8 : begin read_addra <= 4'h9 ; read_addrb <= 4'hA ; read_addrc <= 4'hB ; mux <= 2'h1 ; end 4'h9 : begin read_addra <= 4'hB ; read_addrb <= 4'hC ; read_addrc <= 4'hD ; mux <= 2'h2 ; end 4'hB : begin read_addra <= 4'hD ; read_addrb <= 4'h0 ; read_addrc <= 4'h1 ; mux <= 2'h3 ; jog_int <= jog ; end default : begin read_addra <= 4'h1 ; read_addrb <= 4'h2 ; read_addrc <= 4'h3 ; mux <= 2'h0 ; end endcase end endcase endend
generatefor (i = 0 ; i <= D-1 ; i = i+1)begin : loop0
always @ (posedge output_clock) begin case (mux) 2'h0 : dataout <= { ramoutb, ramouta} ; 2'h1 : dataout <= {ramoutc, ramoutb, ramouta} ; 2'h2 : dataout <= {ramoutc, ramoutb, ramouta} ; default : dataout <= { ramoutb, ramouta} ; endcaseend
endendgenerate
// Data gearboxes
generatefor (i = 0 ; i <= D*2-1 ; i = i+1)begin : loop2RAM32M ram_inst ( .DOA (ramouta), .DOB (ramoutb), .DOC (ramoutc), .DOD (dummy), .ADDRA({1'b0, read_addra}), .ADDRB({1'b0, read_addrb}), .ADDRC({1'b0, read_addrc}), .ADDRD({1'b0, write_addr}), .DIA (datain), .DIB (datain), .DIC (datain), .DID (dummy), .WE (1'b1), .WCLK (input_clock));endendgenerateendmodule
相对于SDR模式下只要完成1:7的时钟设计，对于DDR需要完成rxclk:rxclk_d4:pixel_clk=3.5:1.75:1的时钟设计。rxclk:rxclk_d4是完成1:4的转换。然后rxclk_d4:pixel_clk完成4:7的转换。通过控制每次减1个tap，减少idelay延迟，并且通过ISERDESE检测时钟的跳变。当第一次跳变发生的时候，代表检测到了时钟的跳变沿，具体代码如下：
always @ (posedge pixel_clk) begin // retiming clk_iserdes_data_d <= clk_iserdes_data ; if ((clk_iserdes_data != clk_iserdes_data_d) && (clk_iserdes_data != 7'h00) && (clk_iserdes_data != 7'h7F)) begin data_different <= 1'b1 ; end else begin data_different <= 1'b0 ; endend
always @ (posedge rxclk_d4) begin // clock delay shift state machine not_rx_mmcm_lckd_intd4 <= ~(mmcm_locked & idelay_rdy) ; rstcserdes <= not_rx_mmcm_lckd_intd4 | rst_iserdes ; if (not_rx_mmcm_lckd_intd4 == 1'b1) begin scount <= 6'h00 ; state2 <= 0 ; state2_count <= 5'h00 ; locked_out <= 1'b0 ; chfoundc <= 1'b1 ; c_delay_in <= bt_val ; // Start the delay line at the current bit period rst_iserdes <= 1'b0 ; c_loop_cnt <= 2'b00 ; end else begin if (scount == 1'b0) begin scount <= scount + 6'h01 ; end state2_count <= state2_count + 5'h01 ; data_different_dom_ch <= data_different ; if (chfoundc == 1'b1) begin chfound <= 1'b0 ; end else if (chfound == 1'b0 && data_different_dom_ch == 1'b1) begin chfound <= 1'b1 ; end if ((state2_count == 5'h1F && scount == 1'b1)) begin case(state2) 0 : begin // decrement delay and look for a change if (chfound == 1'b1 || (c_loop_cnt == 2'b11 && c_delay_in == 5'h00)) begin// quit loop if we've been around a few times chfoundc <= 1'b1 ; state2 <= 1 ; end else begin chfoundc <= 1'b0 ; if (c_delay_in != 5'h00) begin // check for underflow c_delay_in <= c_delay_in - 5'h01 ; end else begin c_delay_in <= bt_val ; c_loop_cnt <= c_loop_cnt + 2'b01 ; end end end 1 : begin // add half a bit period using input information state2 <= 2 ; if (c_delay_in < {1'b0, bt_val}) begin // choose the lowest delay value to minimise jitter c_delay_in_target <= c_delay_in + {1'b0, bt_val} ; end else begin c_delay_in_target <= c_delay_in - {1'b0, bt_val} ; end end 2 : begin if (c_delay_in == c_delay_in_target) begin state2 <= 3 ; end else begin if (c_delay_in_ud == 1'b1) begin // move gently to end position to stop MMCM unlocking c_delay_in <= c_delay_in + 5'h01 ; c_delay_in_ud <= 1'b1 ; end else begin c_delay_in <= c_delay_in - 5'h01 ; c_delay_in_ud <= 1'b0 ; end end end 3 : begin rst_iserdes <= 1'b1 ; state2 <= 4 ; end // remove serdes reset default : begin // issue locked out signal rst_iserdes <= 1'b0 ;locked_out <= 1'b1 ; end endcase end endEnd
时钟部分解析并且得出idelay的延迟参数仿真结果，如下分析过程可以参考SDR的模式分析数据部分的分析不再详细描述和SDR方式类似，正确解析输出和时钟的最终结果。由于本文以官方代码讲解为主，本文的方法也是适用于最新的ultrascale 和ultrascale+ FPGA。但是ultrascale 和ultrascale+ FPGA 使用的是serdese3 以及 idelaye3 ，具体的细节参数上有差异，笔者计划后面在本文的基础上，增加从serdese2移植到serdese3的内容。
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