成功解決FPGA設(shè)計(jì)時(shí)序問題的三大要點(diǎn)

FPGA的設(shè)計(jì)與高速接口技術(shù)可以幫助你滿足今天的市場(chǎng)要求，但也提出了一些有趣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了確保存儲(chǔ)器接口的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，在超過200兆赫茲以上，進(jìn)行時(shí)序分析將發(fā)揮更突出的作用，以識(shí)別和解決系統(tǒng)運(yùn)行的問題。在這些頻率內(nèi)，最重要的是創(chuàng)建和控制時(shí)序空余，留下最小的空余，以確保數(shù)據(jù)采集和演示窗口的準(zhǔn)確。更快的邊緣速率同時(shí)也放大物理設(shè)計(jì)的影響，造成信號(hào)完整性問題，對(duì)此則需要更多的沉降時(shí)間及縮小時(shí)序空余。

FPGA器件現(xiàn)在還包括某些先進(jìn)的功能，如支持帶有I/O單元接口的雙通道數(shù)據(jù)(DDR)和板上鎖相環(huán)(PLL)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確時(shí)鐘控制等等。這些在FPGA技術(shù)中的高級(jí)功能均提供先進(jìn)的接口模塊，從而有助于減少界面設(shè)計(jì)，再加上TimingDesigner軟件的獨(dú)特能力，在最短的時(shí)序中提供最準(zhǔn)確、有力的解決方案。本文主要探討了DDR型存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)中必要的時(shí)鐘偏移及數(shù)據(jù)采集的時(shí)序空余。

DDR/QDR存儲(chǔ)器接口的設(shè)計(jì)問題

DDR或四倍數(shù)據(jù)速率(QDR)存儲(chǔ)設(shè)備可以提供和接受兩倍于器件時(shí)鐘頻率的源同步數(shù)據(jù)，這意味著數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升緣和下降緣傳輸。此外，需要捕捉時(shí)鐘偏移和進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，以確保適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘與數(shù)據(jù)關(guān)系。

圖1：TimingDesigner軟件便于捕獲設(shè)計(jì)特點(diǎn)的圖形界面窗口

如前所述，現(xiàn)在一些FPGA裝置包括DDR接口的I/O單元和板上的PLL網(wǎng)絡(luò)。這意味著，你必須有一個(gè)方式來控制模塊的準(zhǔn)確和可靠。為了說明這一點(diǎn)，讓我們來讀取QDR II SRAM源同步接口的設(shè)計(jì)要求看看實(shí)例。

在同步存儲(chǔ)器系統(tǒng)例如QDR SRAM中，數(shù)據(jù)是與時(shí)鐘同步的，所以存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的相位必須旋轉(zhuǎn)90度。這種相位旋轉(zhuǎn)通常在有效數(shù)據(jù)窗口中進(jìn)行時(shí)鐘中心調(diào)整，這是QDR實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集的一個(gè)重要設(shè)計(jì)特點(diǎn)(見圖2)。如果要改變時(shí)鐘中心，我們可以通過對(duì)板上FPGA的PLL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的延時(shí)時(shí)鐘信號(hào)來達(dá)到。

圖2：中心對(duì)齊的時(shí)鐘/數(shù)據(jù)關(guān)系

獲取數(shù)據(jù)

延遲時(shí)鐘信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)中心對(duì)齊以避免各種溫度變化和其他類似的設(shè)計(jì)影響，可能會(huì)對(duì)時(shí)鐘或數(shù)據(jù)方面帶來一些影響，但不會(huì)很大，但違背了接收存儲(chǔ)器的建立或保持時(shí)序的要求。在理論上，對(duì)于大部分器件，中心對(duì)齊的時(shí)鐘邊緣將最大限度地建立和保持時(shí)序，留出足夠的安全空余。然而，除非建立的需求合適于保持的需求，時(shí)鐘信號(hào)的中心對(duì)齊將提供更多的時(shí)序空余。

理想的解決辦法是為器件的建立和保持提供一個(gè)最大的安全空余，可以通過轉(zhuǎn)化平衡空余，為二者都提供相同的安全空余。為了平衡空余，我們?yōu)榻邮掌骷_定最低的有效數(shù)據(jù)窗口，在實(shí)際有效數(shù)據(jù)窗口的中心窗內(nèi)可以給我們的存儲(chǔ)器提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

利用接收器件最小的建立和保持時(shí)間，我們可以利用下面的公式確定最小的"安全"的有效數(shù)據(jù)窗口：

最小創(chuàng)建時(shí)間+最低保持時(shí)間=最低有效數(shù)據(jù)窗口

如圖3所示，在存儲(chǔ)器器件中可以看出，實(shí)際結(jié)果是在有效數(shù)據(jù)窗口中間。為了確保獲取數(shù)據(jù)，總線必須在接收器最小的有效數(shù)據(jù)窗口外的"安全"區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的關(guān)系，信號(hào)設(shè)計(jì)在任一區(qū)域內(nèi)，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，我們確保盡可能多的安全空余。

圖3：平衡實(shí)際有效數(shù)據(jù)窗口中的最小有效數(shù)據(jù)窗口

實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘偏移

源同步時(shí)鐘的相位偏移將有效地改變存儲(chǔ)控制器接收寄存器的最小有效數(shù)據(jù)窗口，因此將形成平衡有效數(shù)據(jù)窗口。時(shí)鐘偏移調(diào)整是FPGA裝置中PLL器件的一個(gè)組成部分。要確定偏移的值，我們必須考慮到影響信號(hào)的布線延遲和任何外部延遲。

首先，我們使用TimingDesigner軟件通過存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)表為QDR SRAM創(chuàng)造一個(gè)圖表(圖4)。我們利用此圖確定存儲(chǔ)器與有效數(shù)據(jù)窗口中的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)序的關(guān)系。目的是精確定義存儲(chǔ)器的信號(hào)關(guān)系，并在PCB到FPGA的設(shè)計(jì)中傳遞這種關(guān)系。

圖4：QDR存儲(chǔ)器讀取時(shí)序圖MT54W1MH18J