对Xilinx FPGA的IDELAY的理解

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本文详细介绍了Xilinx 7系列FPGA中的SelectIO资源，特别是IDELAY2和IDELAYCTRL的工作原理。讨论了IDELAY2的四种工作模式及其在信号传输中的应用，并解释了IDELAYCTRL如何与IDELAY2配合使用以提高信号延时的准确性。

目录

1.xilinx 7系列的SelectIO逻辑资源

1.1SelectIO基本情况

1.2 那什么是HP Bank，HR Bank,甚至HD Bank呢？

2. IDELAY2(重点说)

 2.1基本情况

2.2属性和引脚

2.3 四种工作模式有啥不同

2.4 IDELAY2到底可以延时多长时间？(以V7 T 系列为例，IDELAY是IDELAY2)

3.输入延迟控制（IDELAYCTRL）

3.1 IDELAYCTRL概述

3.2 IDELAYCTRL原句及端口

3.3 IDELAYCTRL时序

3.4 IDELAYCTRL位置

4 参考文献

摘要：为了调整项目中的时钟与数据的时序关系，常常需要用到IDELAY这样的PRIMITIVES，如何更好的来开发使用IDELAY，到底它是如何工作的，它和IDELAYCTRL又是如何连动的呢，这里做了一点探讨，本文以V7的IDELAY2和IDELAYCTRL来整理，对基本的东西没有展开，如果使用过这类SelectIO Primitives的，希望有所帮助。

1.xilinx 7系列的SelectIO逻辑资源

1.1SelectIO基本情况

可以用两个图来说，对于HP Bank，是这样的

对于HR Bank是这样的

1.2 那什么是HP Bank，HR Bank,甚至HD Bank呢？

  • The HR I/O banks are designed to support a wider range of I/O standards with voltages up to 3.3V. 简单说，就是支持宽电压的IO Bank
  • The HP I/O banks are designed to meet the performance requirements of high-speed memory and other chip-to-chip interfaceswith voltages up to 1.8V. 简单说就是支持高性能，也即是高速的IO Bank
  • The HD I/O banks are designed to support low-speed interfaces. 简单说就是高密度的，支持低速接口的IO Bank
    The 7 series FPGAs offer both high-performance (HP) and high-range (HR) I/O banks.  7系列中只有HP 和 HR 没有HD 

再上个表格对比下

 HR bankHP bankHD bank
全称High RangeHigh PerformanceHigh Desity
名称高范围bank高性能bank高密度bank
电压范围1.2~3.3V1.0~1.8V1.2~3.3V
接口速率 支持高速接口支持低速接口

2. IDELAY2(重点说)

 2.1基本情况

IDELAY2是一个专用的延时单元，有31级，延时线每级的可分辨的延时时间是由专用的IDELAYCTRL提供的，一个时钟区域内一个IDELAYCTRL同时供多个IDELAY2，它 的逻辑图如下：

2.2属性和引脚

这个直接上图吧，不要看端口接的是啥，重点看后边注释

2.3 四种工作模式有啥不同

  • FIXED模式下，延时是固定的，其抽头值由属性IDELAY_VALUE确定的，不用动态装载，工作时也不能变化；
  • VARIABLE模式下，延时是可变的，其初如抽头值也是由属性IDELAY_VALUE确定的，在工作时，在C（时钟）作用下，当CE=1时（使能），由INC引脚控制抽头值的增（=1）和减（=0），且会由31->0(增时)或由0->31（减时）；
  • VAR_LOAD模式，与VARIABLE模式不同之处在于：可以装入初值，怎么装：LD=1时，把CNTVALUEIN的值装入延时线；
  • VAR_LOAD_PIPE和VAR_LOAD的区别在于：前者可以把延时线的tap(抽头)值的更新值可以先存到pipe register里（在LDPIPEEN=1时），然后再统一载入（在LD=1时）到tap ，在总线模式下非常有意义；而后者在LD=1时，直接载入CNTVALUEIN的值至tap；

2.4 IDELAY2到底可以延时多长时间？(以V7 T 系列为例，IDELAY是IDELAY2)

  1. 这个延时是由物理延时线产生的，故只能往后延不会往前延，也即只是正的延时，这是个基本概念；
  2. 这个延时可以理解为不同延时线抽头实现，改变了Tap值就可以改变延时的大小，由下图可见每个抽头延时的大小（也叫resolution）是 1/(32x2xfref)，亦即与参考频率有关。fref=200MHz是78ps
  3. 当用IDELAY来传clock类信号时，其延时基本没有误差，为啥呢，因为基本时钟信号比较规矩，有规律，看下图
  4. 当用IDELAY来传data类信号时，其延时就不准了，有误差，为啥呢：数据信号和时钟信号不一样呗。如果想减少误差，就将IDELAY的属性HIGH_PERFORMANCE打开，看下边图啊
  5. 一共是31个Tap所以总延时也就是78x31=2.418ns(或者理解为200M时钟周期的一半)，换句话就是说，IDELAY撑死也就至多延时2.5ns（参考频率更高的，延时更小），所以如果项目设计时采用的时钟比较低，想用IDELAY来改变时钟/数据的时序关系，这就有点杯水车薪的感觉，思路应该不是正选。
  6. 使用IDELAY都要配IDELAYCTRL，这中间的门道到底是啥，没有人说，xilinx也不会讲，下边补点IDELAYCTRL的内容

3.输入延迟控制（IDELAYCTRL）

3.1 IDELAYCTRL概述

如果IDELAYE2或者ODELAYE2例化时，IDELAYCTRL也必须例化。手册里基本都是这句：该模块的用途是对IDELAYE2或者ODELAYE2的延时tap进行校准，减少处理过程、电压和温度的影响，使用REFCLK时钟精细校准。这解释有点懵逼，说到底：（1）IDELAY2和IDELAYCTRL到底是啥关系；（2）IDEALY2到底是怎样实现的延时？所以说会使用，不见得真明白，不明白是因为压根就没有解释，总之吧，会用就可以了

3.2 IDELAYCTRL原句及端口

IDELAYCTRL

 

1.RST：复位信号

RST端口高电平复位，异步复位。为了确保恰当的IDELAY和ODELAY操作，在REFCLK时钟稳定后，必须对IDELAYCTRL进行复位。

2.REFCLK：参考时钟

REFCLK时钟为IDELAYCTRL提供校准时钟。该时钟必须由BUFG或者BUFH时钟缓冲器驱动。REFCLK可以直接来自用户提供的时钟源或者MMCM，但都必须布线到全局时钟buffer。

3.RDY：Ready信号

RDY信号指示IDELAY和ODELAY模块已经完成校准。如果RDY信号变为低电平，IDELAYCTRL模块必须进行复位处理。

3.3 IDELAYCTRL时序

IDELAYCTRL控制时序图如图所示。

3.4 IDELAYCTRL位置

IDELAYCTRL位于I/O行的的每个时钟域。一个IDELAYCTRL完成它所在时钟域的所有IDELAYE2和ODELAYE2块的校准。截了个图，显示了IDELAYCTRL位置相关位置示意图。

4 参考文献

关于在FPGA中实现延时的探讨，这是2014年在电测与仪表上发表的论文用FPGA进位链实现延时的论文：基于CycloneIII的高精度时间数字转换设计     http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/dcyyb201402018

其他有用的参考文献： 

1. https://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds183_Virtex_7_Data_Sheet.pdf

2. https://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug471_7Series_SelectIO.pdf

3. https://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug472_7Series_Clocking.pdf

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