平台：vivado2018.3
具体内容见ug571-ultrascale-selectio
IDELAYE3
在调试超高速信号的时候，需要使用iodelay+iserdes来调试校准输入信号。例如外部某ADC采样率为5GHZ，外部ADC使用2.5GHZ的时钟去采集输入信号。为了实现采集，adc芯片使用了4个1.25ghz采样率的小ADC来采集。但是由于FPGA的工艺，在FPGA内部无法处理高达1.25ghz的信号。外部信号采用并行数据输入，在双边沿采集信号。输入随路时钟为625mhz的双边沿数据。但是对于一般的工程，内部时钟跑到625mhz对于FPGA的时序要求太高。所以我们将625mhz的时钟通过idelay+iserdes的结构。将625mhz的ddr数据转换为312.5mhz的4路单边沿数据。由于芯片采用的并行数据输入，在pcb布局，fpga引脚这些问题上，导致并行输入信号在进入FPGA内部的时间不一致，导致我们采集的输入数据就会出现亚稳态，可能提前也可能延后。这时候我们就需要使用iodelay来对数据进行校准，保证时钟每次采集的数据都是数据的正中心。以确保数据不会出错。
感兴趣的可以看我的另外一篇关于iodelay的文章。
IDELAY输入延迟分析-CSDN博客
那么625mhz的ddr数据如何转换为312.5mhz的呢？在FPGA中拥有serdes可以将输入的串行数据转换为并行数据。今天我们就来通过仿真简单介绍一下iodelay和iserdes。
关于IODELAY3
可以使用 IDELAYE3 原语延迟除时钟以外的任何输入信号，然后将其直接转发到器件逻辑，或者使用输入/输出互联 (IOI) 内部的单数据速率 (SDR) 时钟或双倍数据速率 (DDR) 时钟将其寄存到简单的触发器、IDDDR 或 ISERDESE3 中。不 应使用 IDELAYE3 来延迟时钟，因为 IDELAY 无法直接布线到全局时钟缓存。如必须延迟时钟，请使用 MMCM 或 PLL 生成时钟，并使用精细相移功能来延迟时钟。
需要注意的是，IDELAY3原语包含512抽头系数。仿真实测每个taps实际为5ps。仿真测试接入IDELAY3产生的固有延迟为160ps。
IDELAY3拥有两种模式。
COUNT模式和TIME模式。
COUNT模式不需要IDELAYCTRL，无校准，只是记数tap的个数（最多512个taps）
TIME模式需要IDELAYCTRL，有校准。
端口介绍
关于ISERDESE3
UltraScale器件中的ISERDESE3是具有特定时控和逻辑功能的串并转换器，便于实现高速源同步应用。
ISERDESE3可在SDR数据捕获中将传入信号按2或4位进行解串，而在DDR数据捕获模式中则可以按4或8位进行解串。当用于SDR数据捕获时，每隔一个数据输出管脚即为有效输出。例如，当使用SDR时钟作为1:4解串器时，数据宽度应设置为8，接收到的数据取自 Q0、Q2、Q4和Q6。
ISERDES还包含一个较浅的八元素FIFO。可用于跨时钟域传输。
ISERDES可以定义串并转换器宽度。为4位和8位。
ISERDES的端口介绍
ISERDES的属性
下面我们在逻辑中做仿真。模拟外部输入的625mhz的DDR数据，通过调节idelay和使用iserdes将输入的串行信号转换位并行数据。
代码仿真
使用idelay，设置idelay时钟位312.5mhz。输入625mhz的串行ddr数据。
// *********************************************************************************/
// Project Name :
// Author : i_huyi
// Email : i_huyi@qq.com
// Creat Time : 2024/4/1 16:22:39
// File Name : .v
// Module Name :
// Called By :
// Abstract :
//
// CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
// All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************/
// Modification History:
// 1. initial
// *********************************************************************************/
// *************************
// MODULE DEFINITION
// *************************
`timescale 1 ns / 1 ps
module io_delay3#(
parameter U_DLY = 1
)
(
//serdes data in and Parallel data out
input wire data_in ,
output wire data_delay_out ,
//iodelay
input wire[8:0] delay_data ,//延迟值
input wire delay_valid ,//延迟值有效
//system signal
input wire clk_312_5 ,//312.5
input wire rst
);
//--------------------------------------
// localparam
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// register
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// wire
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// assign
//--------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
IDELAYCTRL #(
.SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" )// Must be set to "ULTRASCALE"
)
IDELAYCTRL_inst (
.RDY (RDY ),// 1-bit output: Ready output
.REFCLK (clk_312_5 ),// 1-bit input: Reference clock input
.RST (rst )// 1-bit input: Active high reset input. Asynchronous assert, synchronous deassert to
// REFCLK.
);
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
IDELAYE3 #(
.CASCADE ("NONE" ),// Cascade setting (MASTER, NONE, SLAVE_END, SLAVE_MIDDLE)
.DELAY_FORMAT ("TIME" ),// Units of the DELAY_VALUE (COUNT, TIME)
.DELAY_SRC ("IDATAIN" ),// Delay input (DATAIN, IDATAIN)
.DELAY_TYPE ("VAR_LOAD" ),// Set the type of tap delay line (FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD)
.DELAY_VALUE (0 ),// Input delay value setting
.IS_CLK_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK
.IS_RST_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for RST
.REFCLK_FREQUENCY (312.5 ),// IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (200.0-2667.0)
.SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" ),// Set the device version (ULTRASCALE, ULTRASCALE_PLUS, ULTRASCALE_PLUS_ES1,// ULTRASCALE_PLUS_ES2)
.UPDATE_MODE ("ASYNC" )// Determines when updates to the delay will take effect (ASYNC, MANUAL, SYNC)
)
IDELAYE3_inst (
.CASC_OUT ( ),// 1-bit output: Cascade delay output to ODELAY input cascade
.CNTVALUEOUT ( ),// 9-bit output: Counter value output
.DATAOUT (data_delay_out ),// 1-bit output: Delayed data output
.CASC_IN (1'b0 ),// 1-bit input: Cascade delay input from slave ODELAY CASCADE_OUT
.CASC_RETURN (1'b0 ),// 1-bit input: Cascade delay returning from slave ODELAY DATAOUT
.CE (1'b0 ),// 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
.CLK (clk_312_5 ),// 1-bit input: Clock input
.CNTVALUEIN (delay_data ),// 9-bit input: Counter value input
.DATAIN (1'b0 ),// 1-bit input: Data input from the logic
.EN_VTC (~delay_valid ),// 1-bit input: Keep delay constant over VT
.IDATAIN (data_in ),// 1-bit input: Data input from the IOBUF
.INC (1'b1 ),// 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
.LOAD (delay_valid ),// 1-bit input: Load DELAY_VALUE input
.RST (rst )// 1-bit input: Asynchronous Reset to the DELAY_VALUE
);
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
endmodule
使用iserdes，ddr数据输入。输出比例为1：4。
// *********************************************************************************/
// Project Name :
// Author : i_huyi
// Email : i_huyi@qq.com
// Creat Time : 2024/4/1 16:32:49
// File Name : .v
// Module Name :
// Called By :
// Abstract :
//
// CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
// All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************/
// Modification History:
// 1. initial
// *********************************************************************************/
// *************************
// MODULE DEFINITION
// *************************
`timescale 1 ns / 1 ps
module iserdes3#(
parameter U_DLY = 1
)
(
//serdes data in and Parallel data out
input wire data_in ,
output wire[3:0] data_out ,
//system signal
input wire clk_312_5 ,//625
input wire clk_625_p ,//625mhz
input wire clk_625_n ,
input wire rst
);
//--------------------------------------
// localparam
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// register
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// wire
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// assign
//--------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
ISERDESE3 #(
.DATA_WIDTH (4 ),// Parallel data width (4,8)
.FIFO_ENABLE ("FALSE" ),// Enables the use of the FIFO
.FIFO_SYNC_MODE ("FALSE" ),// Always set to FALSE. TRUE is reserved for later use.
.IS_CLK_B_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK_B
.IS_CLK_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for CLK
.IS_RST_INVERTED (1'b0 ),// Optional inversion for RST
.SIM_DEVICE ("ULTRASCALE" )// Set the device version (ULTRASCALE, ULTRASCALE_PLUS, ULTRASCALE_PLUS_ES1,ULTRASCALE_PLUS_ES2)
)
ISERDESE3_inst (
.FIFO_EMPTY ( ),// 1-bit output: FIFO empty flag
.INTERNAL_DIVCLK ( ),// 1-bit output: Internally divided down clock used when FIFO is, disabled (do not connect)
.Q (data_out ),// 8-bit registered output
.CLK (clk_625_p ),// 1-bit input: High-speed clock
.CLKDIV (clk_312_5 ),// 1-bit input: Divided Clock
.CLK_B (clk_625_n ),// 1-bit input: Inversion of High-speed clock CLK
.D (data_in ),// 1-bit input: Serial Data Input
.FIFO_RD_CLK ( ),// 1-bit input: FIFO read clock
.FIFO_RD_EN ( ),// 1-bit input: Enables reading the FIFO when asserted
.RST (rst )// 1-bit input: Asynchronous Reset
);
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
endmodule
顶层例化两个模块。
// *********************************************************************************/
// Project Name :
// Author : i_huyi
// Email : i_huyi@qq.com
// Creat Time : 2024/4/1 15:53:53
// File Name : .v
// Module Name :
// Called By :
// Abstract :
// iserdes + iodelay
//
// CopyRight(c) 2020, xxx xxx xxx Co., Ltd..
// All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************/
// Modification History:
// 1. initial
// *********************************************************************************/
// *************************
// MODULE DEFINITION
// *************************
`timescale 1 ns / 1 ps
module io_delay_iserdes#(
parameter U_DLY = 1
)
(
//serdes data in and Parallel data out
input wire data_in ,
output wire[3:0] data_out ,
//iodelay
input wire[8:0] delay_data ,//延迟值
input wire delay_valid ,//延迟值有效
//system signal
input wire clk_312_5 ,//625
input wire clk_625_p ,//625mhz
input wire clk_625_n ,
input wire rst
);
//--------------------------------------
// localparam
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// register
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// wire
//--------------------------------------
//--------------------------------------
// assign
//--------------------------------------
io_delay3 u_io_delay3 (
//serdes data in
.data_in (data_in ),
.data_delay_out (data_delay_out ),
//iodelay
.delay_data (delay_data ),
.delay_valid (delay_valid ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.rst (rst ));
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
iserdes3 U_iserdes3(
//serdes data in and Parallel data out
.data_in (data_delay_out ),
.data_out (data_out ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.clk_625_p (clk_625_p ),
.clk_625_n (clk_625_n ),
.rst (rst ));
//------------------------------------------------------------
//------------------------------------------------------------
//
endmodule
添加仿真文件
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2024/04/01 16:43:25
// Design Name:
// Module Name: vtf_io_delay_iserdes
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module vtf_io_delay_iserdes;
//
wire [9:0] adc_di_p ;
//iodelay
reg [8:0] delay_data ;//延迟值
reg delay_valid ;//延迟值有效
//system signal
reg clk_312_5 ;//625
reg clk_625_p ;//625mhz
reg clk_625_n ;
reg rst ;
reg data_clk ;
wire [3:0] data_out[9:0] ;
wire [9:0] data_p0 ;
wire [9:0] data_p1 ;
wire [9:0] data_p2 ;
wire [9:0] data_p3 ;
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
assign data_p0 = { data_out[9][0],
data_out[8][0],
data_out[7][0],
data_out[6][0],
data_out[5][0],
data_out[4][0],
data_out[3][0],
data_out[2][0],
data_out[1][0],
data_out[0][0]
};
assign data_p1 = { data_out[9][1],
data_out[8][1],
data_out[7][1],
data_out[6][1],
data_out[5][1],
data_out[4][1],
data_out[3][1],
data_out[2][1],
data_out[1][1],
data_out[0][1]
};
assign data_p2 = { data_out[9][2],
data_out[8][2],
data_out[7][2],
data_out[6][2],
data_out[5][2],
data_out[4][2],
data_out[3][2],
data_out[2][2],
data_out[1][2],
data_out[0][2]
};
assign data_p3 = { data_out[9][3],
data_out[8][3],
data_out[7][3],
data_out[6][3],
data_out[5][3],
data_out[4][3],
data_out[3][3],
data_out[2][3],
data_out[1][3],
data_out[0][3]
};
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
parameter WIDTH = 10;
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
genvar i;
generate
for (i = 0; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
//serdes data in and Parallel data out
.data_in (adc_di_p[i] ),
.data_out (data_out[i] ),
//iodelay
.delay_data (delay_data ),
.delay_valid (delay_valid ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.clk_625_p (clk_625_p ),
.clk_625_n (clk_625_n ),
.rst (rst ));
end
endgenerate
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
initial
begin
delay_data =0;
delay_valid =0;
data_clk =0;
clk_312_5 =0;
clk_625_p =0;
clk_625_n =1;
rst =1;
#100;
rst =0;
#100;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
#100;
delay_data =9'd2;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
#100;
delay_data =9'd3;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
#100;
delay_data =9'd4;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
#100;
delay_data =9'd200;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
end
reg [9:0] data_cnt ;
always@(posedge data_clk or posedge rst)
begin
if(rst == 1'b1)begin
data_cnt <= 10'd0;
end
else begin
data_cnt <= data_cnt + 10'h1;
end
end
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
//产生数据
assign adc_di_p[0] = data_cnt[0];
assign adc_di_p[1] = data_cnt[1];
assign adc_di_p[2] = data_cnt[2];
assign adc_di_p[3] = data_cnt[3];
assign adc_di_p[4] = data_cnt[4];
assign adc_di_p[5] = data_cnt[5];
assign adc_di_p[6] = data_cnt[6];
assign adc_di_p[7] = data_cnt[7];
assign adc_di_p[8] = data_cnt[8];
assign adc_di_p[9] = data_cnt[9];
always #1.6 clk_312_5 = ~clk_312_5;
always #0.8 clk_625_p = ~clk_625_p;
always #0.8 clk_625_n = ~clk_625_n;
always #0.4 data_clk = ~data_clk;
endmodule
在仿真文件中，我们模式外部ADC采集输入的并行数据。使用1.25ghz时钟将数据产生。产生的数据将通过并行的十根数据线发送到idelay+iserdes模块分别进行解串。解串后的数据为单bit的312.5mhz的四组并行数据。在仿真顶层我们需要将该数据装换为10bit的312.5mhz数据。所以这里例化十个解串模块。将其解串后的数据进行拼合。就将原始的10bit的1.25ghz的数据转换为了四组312.5mhz的10bit数据流。接下来具体看一下效果。
idelay调节。调节tap为0。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了160ps。
idelay调节。调节tap为2。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了170ps。
idelay调节。调节tap为200。可以看到调节后的数据较输入原始数据延迟了1160ps。
iserdes解串出来的数据。
为了验证每个通道到达iserdes数据的先后顺序不一致。我们在仿真时，将输入的bit0，作为单独的一路数据，延迟tap设置为500。
设置仿真。
io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes0(
//serdes data in and Parallel data out
.data_in (adc_di_p[0] ),
.data_out (data_out[0] ),
//iodelay
.delay_data (9'd500 ),
.delay_valid (delay_valid ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.clk_625_p (clk_625_p ),
.clk_625_n (clk_625_n ),
.rst (rst ));
genvar i;
generate
for (i = 1; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
//serdes data in and Parallel data out
.data_in (adc_di_p[i] ),
.data_out (data_out[i] ),
//iodelay
.delay_data (delay_data ),
.delay_valid (delay_valid ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.clk_625_p (clk_625_p ),
.clk_625_n (clk_625_n ),
.rst (rst ));
end
endgenerate bit0进过iserdes解串出来的并行数据。idelay=0；
bit0进过iserdes解串出来的并行数据。idelay=500；
经过idelay和iserdes还原出来的数据。在调节idelay之前。输入10bit并行数据，可以看到输出的数据为00f，010，011，012，与输入的1.25ghz数据一致。
经过idelay和iserdes还原出来的数据。在调节idelay之后。输入10bit并行数据，可以看到输出的数据为07f，081，080，083，与输入的1.25ghz数据不一致。数据已经错误。
这时再将所有通道idelay延迟设置为500taps。观察解串后的数据。
genvar i;
generate
for (i = 0; i<=(WIDTH-1); i = i +1) begin : adc_ch_di_p
io_delay_iserdes u_io_delay_iserdes(
//serdes data in and Parallel data out
.data_in (adc_di_p[i] ),
.data_out (data_out[i] ),
//iodelay
.delay_data (delay_data ),
.delay_valid (delay_valid ),
//system signal
.clk_312_5 (clk_312_5 ),
.clk_625_p (clk_625_p ),
.clk_625_n (clk_625_n ),
.rst (rst ));
end
endgenerate
//-----------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------
initial
begin
delay_data =0;
delay_valid =0;
data_clk =0;
clk_312_5 =0;
clk_625_p =0;
clk_625_n =1;
rst =1;
#100;
rst =0;
#100;
delay_data =9'd500;
delay_valid =1'b1;
#10;
delay_data =9'd0;
delay_valid =1'b0;
end解串后的数据。在idelay写入时，存在几个周期的数据错误。在idelay生效后，解串出来的数据与原始数据一致。解串成功。
