014 Xilinx 原语（千兆以太网相关） - 沐林枫

014 Xilinx 原语（千兆以太网相关）

原语是 Xilinx 器件底层硬件中的功能模块，它使用专用的资源来实现一系列的功能。相比于 IP 核，原语的调用方法更简单，但是一般只用于实现一些简单的功能。 本文主要讲解 BUFG、 BUFIO、 IDDR、 ODDR、IDELAYE2 和 IDELAYCTRL。 

一、BUFG

BUFG： 全局缓冲， BUFG 的输出到达 FPGA 内部的 IOB、 CLB、块 RAM 的时钟延迟和抖动最小。 BUFG原语模板如下：

BUFG BUFG_inst (
.O(O), // 1-bit output: Clock output
.I(I) // 1-bit input: Clock input
);

除了 BUFG 外，常用的还有 BUFR， BUFR 是 regional 时钟网络，它的驱动范围只能局限在一个 clock region 的逻辑。 BUFR 相比 BUFG 的最大优势是偏斜和功耗都比较小。 

二、BUFIO

BUFIO： BUFIO 是 IO 时钟网络， 其独立于全局时钟资源，适合采集源同步数据。 它只能驱动 IO Block里面的逻辑，不能驱动 CLB 里面的 LUT， REG 等逻辑。 BUFIO 原语模板如下： 

BUFIO BUFIO_inst (
.O(O), // 1-bit output: Clock output (connect to I/O clock loads).
.I(I) // 1-bit input: Clock input (connect to an IBUF or BUFMR).
);

BUFIO 在采集源同步 IO 数据时，提供非常小的延时，因此非常适合采集比如 RGMII 接收侧的数据，但是由于其不能驱动 FPGA 的内部逻辑，因此需要 BUFIO 和 BUFG 配合使用，以达到最佳性能。如ETH_RXC的时钟经过 BUFIO，用来采集端口数据； ETH_RXC 经过 BUFG，用来作为除端口采集外的其他模块的操作时钟。 

三、IDDR

IDDR： 在7系列设备的ILOGIC block中有专属的registers来实现input double-data-rate(IDDR) registers，将输入的上下边沿 DDR 信号，转换成两位单边沿 SDR 信号。 IDDR 的原语结构图如下图所示： 

 

 C：输入的同步时钟；
D：输入的 1 位 DDR 数据；
Q1 和 Q2：分别是“C”时钟上升沿和下降沿同步输出的 SDR 数据。
CE：时钟使能信号；
S/R：置位/复位信号，这两个信号不能同时拉高。
IDDR 原语模板如下：

IDDR #(
    .DDR_CLK_EDGE("OPPOSITE_EDGE"), // "OPPOSITE_EDGE", "SAME_EDGE"
                                                            // or "SAME_EDGE_PIPELINED"
    .INIT_Q1(1\'b0), // Initial value of Q1: 1\'b0 or 1\'b1
    .INIT_Q2(1\'b0), // Initial value of Q2: 1\'b0 or 1\'b1
    .SRTYPE("SYNC") // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) IDDR_inst (
    .Q1(Q1), // 1-bit output for positive edge of clock
    .Q2(Q2), // 1-bit output for negative edge of clock
    .C(C), // 1-bit clock input
    .CE(CE), // 1-bit clock enable input
    .D(D), // 1-bit DDR data input
    .R(R), // 1-bit reset
    .S(S) // 1-bit set
);

DDR_CLK_EDGE 参数为 IDDR 的三种采集模式，分别为“OPPOSITE_EDGE”、“SAME_EDGE”和“SAME_EDGE_PIPELINED”模式。OPPOSITE_EDGE 模式的时序图如下图所示： 

 

OPPOSITE_EDGE 模式下， 在时钟的上升沿输出的 Q1， 时钟的下降沿输出 Q2。
SAME_EDGE 模式的时序图如下图所示：

 

 图 27.1.17 IDDR“SAME_EDGE”模式时序图

SAME_EDGE 模式下，在时钟的上升沿输出 Q1 和 Q2，但 Q1 和 Q2 不在同一个 cycle 输出。
SAME_EDGE_PIPELINED 模式的时序图如下图所示：

 

 SAME_EDGE_PIPELINED 模式下，在时钟的上升沿输出 Q1 和 Q2， Q1 和 Q2 虽然在同一个 cycle 输出，但整体延时了一个时钟周期。在使用 IDDR 时，一般采用此种模式。

四、ODDR

ODDR： 通过 ODDR 把两路单端的数据合并到一路上输出，上下沿同时输出数据，上升沿输出 a 路，下降沿输出 b 路；如果两路输入信号一路固定为 1， 另外一路固定为 0，那么输出的信号实际上是时钟信号。
ODDR 的原语结构图如下图所示：

 

C：输入的同步时钟；
Q：输出的 1 位 DDR 数据；
D1 和 D2：分别是“C”时钟上升沿和下降沿同步输入的 SDR 数据。
CE：时钟使能信号；
S/R：置位/复位信号，这两个信号不能同时拉高。
ODDR 原语模板如下：

ODDR #(
    .DDR_CLK_EDGE("OPPOSITE_EDGE"), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"
    .INIT(1\'b0), // Initial value of Q: 1\'b0 or 1\'b1
    .SRTYPE("SYNC") // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) ODDR_inst (
    .Q(Q), // 1-bit DDR output
    .C(C), // 1-bit clock input
    .CE(CE), // 1-bit clock enable input
    .D1(D1), // 1-bit data input (positive edge)
    .D2(D2), // 1-bit data input (negative edge)
    .R(R), // 1-bit reset
    .S(S) // 1-bit set
);

DDR_CLK_EDGE 参数为 ODDR 的两种输出模式，分别为“OPPOSITE_EDGE”和“SAME_EDGE”模式。
OPPOSITE_EDGE 模式的时序图如下图所示：

 

此种模式下， 在 FPGA 内部需要两个反相时钟来同步 D1 和 D2， 此种模式使用较少。
SAME_EDGE 模式的时序图如下图所示：

 

 此种模式下，数据可以在相同的时钟边沿输出到 Q，一般采用此种模式。

五、IDELAYE2

IDELAYE2： IO 延时原语，用于在信号通过引脚进入芯片内部之前，进行延时调节，一般高速端口信号由于走线延时等原因，需要通过 IDELAYE2 原语对数据做微调。 IDELAYE2 原语模板如下：

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
    .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
);

IDATAIN 为延时前的输入信号， DATAOUT 为延时后的输出信号。
REFCLK_FREQUENCY 参数为 IDELAYCTRL 原语的参考时钟频率，一般为 200Mhz；IDELAY_VALUE参数用来设置延时的 tap 数，范围为 1~31，每个 tap 数的延时时间和参考时钟频率有关。

和 IDELAYE2 对应的还有 ODELAYE2，由于 A7 系列没有 ODELAYE2 原语， 故此处不做讨论。

六、IDELAYCTRL

IDELAYCTRL： IDELAYCTRL 和 IDELAYE2 一般同时使用， IDELAYCTRL 对 IDELAYE2 延时进行校准。

IDELAYCTRL原语如下：

(* IODELAY_GROUP = <iodelay_group_name> *)
IDELAYCTRL 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
);

IODELAY_GROUP 为延时 IO 分组，一般数据接口位于多个 BANK 时，才需要分组。
IDELAYCTRL 通过参考时钟 REFCLK 来校准 IDELAY2 每个 tap 的延时值，可用的 REFCLK 频率为190Mhz~210Mhz 或者 290Mhz~310Mhz。时钟频率越高对应的 tap 延时平均值越小，即延时调节精度越高。
当参考时钟为 200Mhz 时，一个 tap 为 78ps。

七、参考资料

1、1_领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V1.3，以太网 ARP 测试实验