SERDESFPGA设计手册.doc

编 号： 版 本：V0.2 页 数：共 页 密 级：SERDES FPGA设计手册更改记录版本拟制/更改审核批准生效日期更改内容V0.1兜福2013.7.19创建文档V0.2兜福2013.9.11添加补充了OSERDES部分，未完待续；注：作者兜福邮箱：zouxingyu705，多多交流，共同进步。目录SERDES FPGA设计手册1目录31目的62范围63术语64SERDES基础知识65SERDES应用指南65.1ISERDES75.1.1ISERDES基元75.1.2ISERDES基元的时钟解决方案105.2OSERDES115.2.1OSERDES组成功能模块125.2.2OSERDES基元135.2.3OSERDES基元的时钟解决方案156SERDES应用指南156.1ISERDES设计156.1.1单个ISERDES单元设计(SDR)156.1.1.1ISERDES配置参数156.1.1.2设计思想186.1.1.3仿真结果196.1.1.4ISERDES数据时序206.1.1.4.1ISERDES输入数据时序206.1.1.4.1ISERDES输出数据时序216.1.2单个ISERDES单元设计(DDR)226.1.2.1ISERDES配置参数226.1.2.2设计思想226.1.2.3仿真结果226.1.3ISERDES宽度扩展226.1.3.1设计实例236.1.3.2仿真结果266.2OSERDES设计266.2.1单个OSERDES单元设计(SDR)266.2.1.1OSERDES配置参数266.2.1.2设计思想286.2.1.3仿真结果296.2.1.1OSERDES基元SDR模式时序296.2.2单个OSERDES单元设计(DDR)296.2.2.1OSERDES配置参数306.2.2.2设计思想306.2.2.3仿真结果306.2.2.1OSERDES基元SDR模式时序316.2.3OSERDES宽度扩展316.2.3.1设计实例316.2.3.1仿真结果331 目的为了学习xilinx serdes原语的使用，以及交流学习经验，在工程项目中方便的应用SERDES进行设计，故编写此文档。2 范围本文档所介绍的SERDES原语内容，适用于Xilinx V5系列器件。3 术语ISERDES：串并转换器。OSERDES：并串转换器。4 SERDES基础知识待补充。5 SERDES应用指南5.1 ISERDES5.1.1 ISERDES基元图 1 ISERDES基元图 2 ISERDES内部组成单元结构框图图 3 当使用Memory模型是ISERDES内部的连接情况表 1 ISERDES端口列表Port NameTypeWidthDescriptionQ1-Q6Output1(each)寄存器输出SHIFTOUT1Output1进位输出，用于数据宽度的扩展。连接到从IOB的SHIFIN1。SHIFTOUT2Output1进位输出，用于数据宽度的扩展。连接到从IOB的SHIFIN2。BITSLIPInput1启动bitslip操作CE1CE2Input1(each)时钟使能输入CLKInput1高速时钟输入，对串行输入数据流进行时钟控制。CLKBInput 1高速时钟第二输入，对串行输入的数据流进行时钟控制。总是连接CLK。CLKDIVInput 1时钟CLK的分频时钟，取决于解串的数据宽度。控制着延迟单元、解串数据、Bitslip子模块和CE单元进行时钟控制。DInput1来自IOB的串行输入数据。OCLKInput1用于存储器应用的高速时钟输入，该信号只有在INTERFACE_TYPE属性配置为(MEMORY)时，才可用；配置为”NETWORKING”时，直接赋0值即可。SHIFTIN1Input1用于数据扩展的进位输入，连接到主IOB的SHIFTOUT1。SHIFTIN2Input1用于数据扩展的进位输入，连接到主IOB的SHIFTOUT2。RSTInput1异步复位输入，高有效。表 2 ISERDES属性列表Atrribute NameEescriptionValueDefault ValueBITSLIP_ENABLE允许用户使用或者忽略bitslip子模块。该属性在INTERFACE_TYPE属性配置为MEMORY时必须配置为FALSE，在配置为NETWORKING时必须配置为TURE。字符串：TURE或FALSEFALSEDATA_RATE允许将输入的数据流作为”DDR”或者”SDR”来进行处理。字符串：DDR或SDRDDRDATA_WIDTH定义串并转换的宽度，合法的值取决于DATA_RATE的配置（SDR或者DDR）。如果 DATA_RATE = DDR，则此值限制为 4、6、8 或 10。如果DATA_RATE = SDR，则此值限制为 2、3、4、5、6、7 或 8。 4INTERFACE_TYPE选择ISERDES的使用说明字符串：MEMORY或NETWORKINGMEMORYNUM_CE定义时钟使能数整数：1或22SERDES_MODE当使用宽度扩展时定义SERDES是主模块，还是从模块。字符串：MASTER或SLAVE。MASTER表 3 推荐的数据宽度配置5.1.2 ISERDES基元的时钟解决方案CLK和CLKDIV的相位关系，在串并转换的过程中是非常重要的。CLK和CLKDIV的相位关系应该是理想对齐的。FPGA中存在这样的时钟模块单元来设计满足CLK和CLKDIV的相位关系。在networking模式下，解决时钟相位关系的唯一办法是： CLK driven by BUFIO, CLKDIV driven by BUFR CLK driven by DCM, CLKDIV driven by the CLKDV output of the same DCM CLK driven by PLL, CLKDIV driven by CLKOUT0:5 of same PLL在Memory Interface模式下，解决时钟相位关系的唯一办法是： CLK driven by BUFIO or BUFG OCLK driven by DCM and CLKDIV driven by CLKDV output of same DCM OCLK driven by PLL and CLKDIV driven by CLKOUT0:5 of same PLL 图 4 控制CLK和CLKDIV相位对齐的时钟解决方案/补充文档内容从以下区域进行添加5.2 OSERDESOSERDES：输出并串转换器逻辑资源，具有专门用来帮助实现源同步接口的待定时钟控制和逻辑资源。每个OSERDES模块包含一个用户数据和三态控制的专用串行器。数据和专用串行器都可以配置成SDR和DDR模式。数据串行化可大6：1，如果使用“OSERDES宽度扩展，则是10：1”。三态串行化可达4：1。5.2.1 OSERDES组成功能模块图 OSERDES功能框图在OSERDES并串转换过程中，并行数据串行化是从数据引入引脚的最低位到最高位的顺序进行的（即D1输入引脚上的数据传输到OQ引脚的首位）。OSERDES使用CLK和CLKDIV两个时钟进行数据速率转换。CLK是高速串行时钟；CLKDIV是分频并行时钟。假定CLK和CLKDIV相位对齐，表*所示为各种模式下CLK与CLKDIV之间的关系。表* 并串转换器的clk/clkdiv关系SDR模式下的输入数据宽度输出DDR模式下的输入数据宽度输出CLKCLKDIV242XX363XX484XX5105XX66XX77XX88XXOSERDES延迟Oserdes模块的输入到输出延迟取决于DATA_RATE和DATA_WIDTH属性。延迟的定义是，并行数据样本输入OSERDES所需的慢时钟(CLKDIV)周期数，后加OSERDES在并行数据采样之后将第一个串行数据送入OQ输出所需的快时钟(CLK)周期数。表概述了各种OSERDES延迟值。5.2.2 OSERDES基元图 oserdes基元端口名称类型宽度描述OQ输出output1数据通路输出，并转串后的串行输出。SHIFTOUT1输出1数据宽度扩展的进位输出，连接到主OSERDES的SHIFTIN1。SHIFTOUT2输出1数据宽度扩展的进位输出，连接到主OSERDES的SHIFTIN2。TQ输出1三态控制输出CLK输入1高速时钟输入，驱动并串转换器的串行侧。CLKDIV输入1分频时钟输入。对延迟单元，解串数据，Bitslip自模块和CE单元进行时钟控制。为CLK端口所连接时钟的分频版本，分频大小根据数据转换宽度而定。CLKDIV驱动驱动并串转换器的并行侧。D1-D6输入1/port并行数据输入。D1将最先出现在串行输出口OQ上。所有并行数据全通过D1-D6进入OSERDES模块。OCE输入1输出数据时钟使能，高有效。该信号可以作为输入OSERDES基元内的并行数据的同步有效标志，并可以同时输出到接收转换后的串行数据的一方，作为一个有效数据的起始位置的判断标志。REV输入1反转SR引脚。OSERDES模块中没有此端口。SHIFTIN1输入1数据宽度扩展的进位输入，连接到从OSERDES的SHIFTOUT1。SHIFTIN2输入1数据宽度扩展的进位输入，连接到从OSERDES的SHIFTOUT2。SR输入1设置/复位。在OSERDES模块中，此引脚只作为异步复位。T1-T4输入1/port并行三态输入。所有并行三态信号，都通过端口T1到T4进入OSERDES模块。此端口连接到FPGA内部资源，可以配置成一位或者四位。TCE输入1三态控制通路时钟使能，高有效。5.2.3 OSERDES基元的时钟解决方案6 SERDES应用指南6.1 ISERDES设计6.1.1 单个ISERDES单元设计(SDR)6.1.1.1 ISERDES配置参数Iserdes仿真设计的练习中将iserdes的参数配置为图XX中的参数，具体参数释义如表XX所示。 图 XX表 XX参数值 意义BITSLIP_ENABLETRUE Bitslip控制器的使能。如果INTERFACE_TYPE配置为memory，则必须配置为FALSE；如果INTERFACE_TYPE配置为networking，则必须配置为TURE。在本次设计里将接口类型配置为了networking类型。DATA_RATE SDR指定将输入的数据作为”SDR”或是”DDR”处理。SDR - 单倍数据数据；DDR - 双倍数据速率；本设计中设置为单倍数据速率，即SDR。INTERFACE_TYPE NETWORKING使用的数据传输模型。可选配置为：MEMORY - 需要用到OCLK； NETWORKING - 不需要用到OCLK；本设计中配置为NETWORKING。IOBDELAYNONE待补充 IOBDELAY_TYPEDEFAULT待补充IODELAY_VALUE0待补充NUM_CE1定义设计中使用的时钟使能的个数。具体参考ISERDES结构中的时钟模块的时钟使能CE1和CE2设计。本设计配置为”1”，使用一个时钟使能。SERDES_MODEMASTER设置当前SERDES的身份，主或从。可选配置：”MASTER” or ”SLAVE”.本设计中配置为MASTER，即没有进行级联设计。参数值 意义BITSLIP_ENABLETRUE Bitslip控制器的使能。如果INTERFACE_TYPE配置为memory，则必须配置为FALSE；如果INTERFACE_TYPE配置为networking，则必须配置为TURE。在本次设计里将接口类型配置为了networking类型。DATA_RATE SDR指定将输入的数据作为”SDR”或是”DDR”处理。SDR - 单倍数据数据；DDR - 双倍数据速率；本设计中设置为单倍数据速率，即SDR。INTERFACE_TYPE NETWORKING使用的数据传输模型。可选配置为：MEMORY - 需要用到OCLK； NETWORKING - 不需要用到OCLK；本设计中配置为NETWORKING。IOBDELAYNONE待补充 6.1.1.2 设计思想设计中将外部输入的复位信号进行异步复位，同步释放处理。外部的串行数据直接进入ISERDES，SERDES输出的并行数据进行拼接成6位的数据总线，再输出。6.1.1.3 仿真结果创建test_betch平台，生成激励。仿真结果如图XX和图XX。从图上分析可知，产生的激励序列011111_101101_101010_110100_010111_10000_000000。其中，clk为快时钟，控制输入的串行数据；clkdiv通常是clk的一个分频版本，取决于所实现的解串的宽度(即，如果是1:6解串器，则clkdiv是clk的6分频)；D为输入的串行数据；ce为D的同步有效标志（使能）。注意，该设计中配置为SDR，networking模式，则ISERDES的延迟为两个clkdiv的时钟，这里所讲的延迟是指快时钟(clk)采集数据为样本之后，该数据位出现在Q输出上所需的慢时钟(clkdiv)的周期数。另，串行输出的第一位出现在并行输出的最高位上。其他配置情况下的ISERDES延迟信息如表XX所示。图 仿真全图图 测试激励起点图 测试激励结束表 ISERDES延迟6.1.1.4 ISERDES数据时序6.1.1.4.1 ISERDES输入数据时序图 ISERDES数据输入时序图6.1.1.4.1 ISERDES输出数据时序图 ISERDES数据输出时序图对于ISERDES来说，输入到输出存在一定延迟，这个延迟取决于DATA_RATE，DATA_WIDTH，SERDES_MODE属性。所谓延迟具体是指快时钟(CLK)采集数据位样本之后，该数据位出现在Q输出上所需的慢时钟(CLKDIV)周期数。表 ISERDES延迟值Date_RateSERDES_MODE存储器模式的延迟网络模式的延迟SDR1个CLKDIV周期2个CLKDIV周期DDR1个CLKDIV周期2个CLKDIV周期6.1.2 单个ISERDES单元设计(DDR)6.1.2.1 ISERDES配置参数6.1.2.2 设计思想6.1.2.3 仿真结果6.1.3 ISERDES宽度扩展构建大于1:6的串并转换器需要两个ISERDES模块。每个I/O模块中有一主一从两个ISERDES模块。通过将主ISERDES的SHIFOUT端口连接到从ISERDES的SHIFTIN端口，可以将串并转换器最大扩展到1:10(DDR)和1:8(SDR)。如下图所示为使用主从ISERDES模块的1:10DDR串并转换器的框图。端口Q3-Q6用于从ISERDES上的并行接口的后四位。如果是1:8的SDR串并转化器，则从单元用的是Q3和Q4两位端口。图 ISERDES宽度扩展6.1.3.1 设计实例本设计为SDR，1:8串并转换器，模式为Network模式。具体设计如下图123。.图 Master单元设计图 Slave单元设计图 扩展后的拼接输出6.1.3.2 仿真结果首先图中的复位信号依然做了异步复位，同步释放处理。图 全局虚线光标处为串行数据开始输入，在此之后的慢时钟clkdiv的第二个上升沿，开始输出并行数据(8bits)。图 数据输入到输出局部6.2 OSERDES设计6.2.1 单个OSERDES单元设计(SDR)6.2.1.1 OSERDES配置参数Oserdes仿真设计的练习中将oserdes的参数配置为图XX中的参数，具体参数释义如表XX所示。图* OSERDES参数配置表OSERDES属性概述值默认值DATA_RATE_OQ定义数据(OQ)是在相对于CLK的每个时钟边沿还是时钟的上升沿变化。字符串SDR(单倍数据速率)或者DDR(双倍数据速率)DDRDATA_RATE_TQ定义三态(TQ)是相对于时钟的每个时钟边沿还是时钟的上升沿变化，或者是缓冲期设置。字符串SDR、DDR或者BUF。DDRDATA_WIDTH定义并串数据转换器的宽度。此值还取决于DATA_RATE_OQ的值。整数：2、4、6、7、8或者10。如果DATA_RATE_OQ=DDR，则此值限制为4、6、8或10。如果DATA_RATE_OQ=SDR，则此值限制为2、3、4、5、6、7、8。当DATA_WIDTH设置值大于6时，必须将一对OSERDES配置成主从配置。4SERDES_MODE当使用宽度扩展时，定义OSERDES模块是主模块还是从模块。字符串：MASTER或SLAVE。MASTERTRISTATE定义三态转换器的宽度。整数：1或4。如果DATA_RATE_TQ=DDR，则此值限制为4。如果DATA_RATE_TQ=SDR或BUF，则此值限制为1。46.2.1.2 设计思想设计中将外部输入的复位信号进行异步复位，同步释放处理。OSERDES基元外部的并行数据直接进入OSERDES。将OSERDES属性配置为SDR，DATA_WITH=6，即6：1并串转换器件。OSERDES的串行数据直接作为模块数据。6.2.1.3 仿真结果创建test_betch平台，生成激励。仿真结果如图XX和图XX。从图上分析可知，有CLKDIV驱动产生一组并行测试数据，16进制表示依次为15、12、7、1e、1a，共5个。其中，clk为快时钟，驱动并串转换器串行侧；clkdiv通常是clk的一个分频版本，取决于所实现的解串的宽度(即，如果是6：1并串转换，则clkdiv是clk的6分频)；OSERDES基元外的并行数据通过d1、d2、d3、d4、d5、d6输入到OSERDES内部，其中d1将最先出现在OQ上，也即如果将并行数据的最低位赋值给d1，其他依次，那么可以看成OSERDES是从并行数据的低位开始并串转换的；oce为输出数据有效时钟使能。注意，该设计中配置为SDR（OSERDES默认为DDR），则OSERDES的并串转换输出延迟为clkdiv采集到有效并行数据之后的5个clk周期（即之后的第五个clk上升沿驱动出第一位有效串行数据）有效串行数据出现在OQ上。1a1e71215图 OSERDES配置为SDR仿真结果6.2.1.1 OSERDES基元SDR模式时序1e6.2.2 单个OSERDES单元设计(DDR)6.2.2.1 OSERDES配置参数6.2.2.2 设计思想设计中将外部输入的复位信号进行异步复位，同步释放处理。OSERDES基元外部的并行数据直接进入OSERDES。将OSERDES属性配置为DDR，DATA_WITH=6，即6：1并串转换器件。OSERDES的串行数据直接作为模块数据。6.2.2.3 仿真结果创建test_betch平台，生成激励。仿真结果如图XX和图XX。从图上分析可知，有CLKDIV驱动产生一组并行测试数据，16进制表示依次为15、12、7、1e、1a，共5个。其中，clk为快时钟，驱动并串转换器串行侧；clkdiv通常是clk的一个分频版本，取决于所实现的解串的宽度(即，如果是6：1并串转换，在配置为SDR模式时，clkdiv是clk的6分频；在配置为DDR模式时，clkdiv是clk的3分频)；OSERDES基元外的并行数据通过d1、d2、d3、d4、d5、d6输入到OSERDES内部，其中d1将最先出现在OQ上，也即如果将并行数据的最低位赋值给d1，其他依次，那么可以看成OSERDES是从并行数据的低位开始并串转换的；oce为输出数据有效时钟使能。注意，该设计中配置为DDR（OSERDES默认为DDR），则OSERDES的并串转换输出延迟为clkdiv采集到有效并行数据之后的5个clk周期（即之后的第五个clk上升沿驱动出第一位有效串行数据）有效串行数据出现在OQ上。补充说明，刚刚提到的并串转换延迟，对6：1并串转换，DDR模式的情况下，从给出第一个有效并行数据，到该并行数据转为串行数据后的第一位有效串行数据出现在OQ上的延迟为1个clkdiv+3个clk，关于延迟的其他情况的描述参考表中所述。DDR模式下，在复位失效后，至少延迟一个clkdiv之后再给出有效的并行数据151a1e712图OSERDES基元DDR模式仿真注意，于SDR模式不同，在DDR模式时，当OSERDES基元的复位失效后，必须至少延迟一个clkdiv时钟周期后，再给出第一个有效的并行数据，这样第一个并行数据才能被正确采样。另外，DDR模式下6：1并串转换的延迟为1个clkdiv+3个clk。从仿真图中可以看出，在clkdiv正确采样第一个有效并行数据后的，第三个clk上升沿，并串转后的第一个串行数据出现在OQ上。6.2.2.1 OSERDES基元SDR模式时序6.2.3 OSERDES宽度扩展6.2.3.1 设计实例本设计通过配置OSERDES实现为SDR，8:1并串转换器件具体设计如下图。.图 OSERDES扩展Master图 OSERDES扩展Slave6.2.3.1 仿真结果11712752图 OSERDES基元位宽扩展仿真结果由上仿真图可知，位宽扩展为8：1的并串转换器的延迟为1个clkdiv+6个clk，即clkdiv采集到第一个有效并行数据后的第6个clk的上升沿，并串转换后的串行数据出现在OQ上。另外，上述仿真中的SHIFTOUT1和SHIFTOUT2为啥存在不定态。？遗留问题：如果需要将OSERDES并串转换后的串行数据在重新拼接起来，该如何实现？