基于FPGA Virtex-4器件實現直接時鐘控制技術方案的設計

大多數存儲器接口都是源同步接口，從外部存儲器器件傳出的數據和時鐘/ 選通脈沖是邊沿對齊的。在 Virtex-4 器件采集這一數據，需要延遲時鐘/ 選通脈沖或數據。利用直接時鐘控制技術，數據經延遲，并與內部 FPGA 時鐘實現中心對齊。在這個方案中，內部 FPGA時鐘采集傳出的數據。存儲器傳出的時鐘/ 選通脈沖用于決定與數據位相關的延遲值。因此，與選通脈沖相關的數據位的數量不受限制。由于無需將選通脈沖分配給相關數據位，所以不需要其他時鐘資源。

時鐘/ 選通脈沖和數據位使用的 Virtex-4 資源是一條 64-tap 絕對延遲線。該 64-tap 絕對延遲線可利用 IDELAY 和 IDELAYCTRL primitive 實現。時鐘/ 選通脈沖和數據位均通過此 64-tap絕對延遲線來布線。雖然選通脈沖不用于采集數據，但它用于確定數據與內部 FPGA 時鐘實現中心對齊所需的 tap 數量。以下部分將詳細解釋直接時鐘控制技術方案的設計及實現。

選通脈沖邊沿檢測

與時鐘/ 選通脈沖相關的數據位的延遲值就是內部 FPGA 時鐘上升沿與時鐘/ 選通脈沖中心之間的相位差。假設時鐘/ 選通脈沖和數據實現了邊沿對齊。要確定這個相位差，時鐘/ 選通脈沖通過 IOB 內的 64-tap 絕對延遲線輸入，并利用內部 FPGA 時鐘在增量 tap 輸出端對其進行采樣。

要確定時鐘/ 選通脈沖的中心，至少需要檢測到時鐘/ 選通脈沖的兩個邊沿或轉換。檢測出第二次轉換所需的 tap 數（即第二個邊沿的 tap）和檢測出第一次轉換所需的 tap 數（即第一個邊沿的 tap）之差，即為時鐘/ 選通脈沖寬度。這個差值的二分之一就是脈沖中心（即脈沖中心的 tap）。從內部 FPGA 時鐘上升沿到時鐘/ 選通脈沖中心之間的 tap 數，即為第一個邊沿的tap 數與脈沖中心的 tap 數之和。

表1 描述了各類 tap 數量。

基于FPGA Virtex-4器件實現直接時鐘控制技術方案的設計

圖1 說明了通過使數據延遲相應的 tap 數，讓數據與內部 FPGA 時鐘實現中心對齊的兩種情況。第 1 種情況所示為，由于時鐘/ 選通脈沖的下降沿是被檢測到的第一個邊沿，因此內部FPGA 時鐘的上升沿位于延遲數據的中心。第 2 種情況所示為，由于時鐘/ 選通脈沖的上升沿是檢測到的第一個邊沿，因此內部 FPGA 時鐘下降沿位于延遲數據的中心。

實現選通脈沖邊沿檢測

由于具有專用的 IDELAY 和 IDELAY_CTRL 電路，所以可以輕松地在 Virtex-4 器件中實現確定延遲值的電路。實現確定延遲值電路的結構圖如圖2 所示。

利用一個簡單的算法檢測存儲器時鐘/ 選通脈沖的邊沿。將初始值為 0 的時鐘/ 選通脈沖輸入IDELAY 模塊。時鐘/ 選通脈沖將不停地增加 1 tap 的延遲，直到檢測到第一個邊沿。然后記錄下檢測出第一個邊沿所需的 tap 數。在檢測到第二個邊沿之前，時鐘/ 選通脈沖仍然不停地增加 1 tap 的延遲。然后記錄下檢測出第二個邊沿所需的 tap 數。根據兩次記錄的值，計算出脈沖寬度。在用 tap 數確定時鐘/ 選通脈沖寬度后，除以 2 即得到中間值。中間值與檢測出第一個邊沿所需的 tap 數之和為延遲數據所需的tap 數。

IDELAY 模塊可用的 tap 總數為64。因此，當頻率為 200 MHz 或以下時，將無法檢測出兩個邊沿。如果在 64 tap 結束后僅檢測出一個邊沿，那么延遲數據所需的 tap 數應為，檢測出第一個邊沿所需的 tap 數減去 16 tap （約 1.25 ns，每個 tap 的延時約為 75 ps）。一個 200 MHz 時鐘/ 選通脈沖周期的四分之一約為 16 tap。根據時序分析，該值也適用于更低的頻率，最低可達 110 MHz。當頻率低于 110 MHz 時，如果在 64 tap 結束后未檢測出任何邊沿，那么延遲數據所需的 tap 數應為 32 tap（約 2.5 ns，每個 tap 的延時約為 75 ps）。該值足以使內部 FPGA時鐘邊沿位于數據窗口內。

檢測第一個和第二個邊沿僅需一個小型狀態機。只有在為確定數據延遲 tap 數而發出的虛讀操作過程中，才啟用該狀態機。在正式工作之前，發送至外部存儲器器件的虛讀操作命令包含多條背靠背讀命令。狀態機將控制輸入 IDELAY 電路的信號，即DLYRST、DLYCE 和 DLYINC。

DLYRST －延遲線復位信號，將延遲線中的 tap 數重設為按 IOBDELAY_VALUE 屬性設置的值。本設計中被設為 “0”。

DLYCE －延遲線使能信號，確定何時激活延遲線遞增/ 遞減信號。

DLYINC - 延遲線遞增/ 遞減信號，可增加或減少延遲模塊中的 tap 數。表2 描述了延遲線的運行模式。

用于控制這些延遲模塊輸入的狀態圖如圖3 所示。該狀態機的四種狀態分別為：DELAY_RST、IDLE、DELAY_INC 和 DETECT_EDGE。

DELAY_RST

該狀態是發起虛讀操作時啟用的狀態機的第一個狀態。在這種狀態下，延遲模塊被重設為“0”tap。該狀態之后是多個 IDLE 狀態。

IDLE

在這種狀態下，延遲模塊保持“無變化”運行模式。除 IDLE 狀態之外，每種狀態結束后都會出現數個 IDLE 狀態，以便處理 tap 輸出值。IDLE 狀態之后是另一個 IDLE、DELAY_INC 或DETECT_EDGE 狀態。

DELAY_INC

這個狀態使延遲模塊tap 數加 1。該狀態之后是數個IDLE 狀態。

DETECT_EDGE

在這種狀態下，比較延遲模塊的輸出及其上一個值，用于檢測信號邊沿或轉換，同時，延遲模塊tap 數加 1。該狀態之后是數個 IDLE 狀態。

在確定了延遲數據所需的 tap 數后，將啟用數據 IDELAY 電路，并增加到這一數值。按照所需的 tap 數，使數據 IDELAY 電路增加相同的時鐘周期。數據 IDELAY 電路的讀/ 寫數據通路結構圖如圖4 所示。

數據采集與二次采集

如圖4 所示，利用內部FPGA時鐘，在輸入 DDR 觸發器中采集延遲數據。然后，把這些觸發器的輸出存儲到兩個FIFO 中；一個代表上升沿數據，另一個代表下降沿數據。這些FIFO 是利用LUT RAM 實現的，其寫使能操作由控制器生成的讀使能信號提供，并在數據格式校準的基礎上與采集的讀取數據對齊。

DDR2 SDRAM 器件并未隨讀取數據一同提供讀有效或讀使能信號。因此，控制器將根據 CAS延遲和突發長度，生成這個讀使能信號。在開始執行讀取操作時，必須令該讀使能信號有效，并在選通脈沖的最后一個上升沿結束后使其無效。在IDDR 觸發器的輸出端，該讀使能信號必須與采集到的讀取數據對齊。為了實現讀使能對齊，在數據與FPGA 時鐘對齊后，將已知數據格式寫入存儲器。然后讀回已知數據格式，并在讀使能信號與采集到的讀取數據對齊之前，利用移位寄存器延遲讀使能信號。每字節數據都會生成一個讀使能信號。圖5 為讀使能對齊的時序圖。