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使用PLD內(nèi)部鎖相環(huán)解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題
摘要：從整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的角度，理解和分析PLD內(nèi)部鎖相環(huán)；在此基礎(chǔ)上，深入剖析鎖相環(huán)的相移結(jié)構(gòu)，同時(shí)用這個(gè)技術(shù)解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。關(guān)鍵詞：PLD內(nèi)嵌鎖相環(huán)FIFOXBUS
引言
微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是片上系統(tǒng)（SoC），也就是在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，包括模擬部分和數(shù)字部分。作為IC產(chǎn)業(yè)中重要的一個(gè)分支，可編程邏輯器件（PLD）也在努力向這個(gè)方向發(fā)展。無(wú)論是Xilinx還是Altera，它們最新的PLD產(chǎn)品中都集成了諸如PCI接口、乘法器、MCU核以及DSP核等部件，有的甚至集成了完整的微處理器。例如，Xlinux的Vietex2-Pro系列就是集成了PowerPC微處理器。
鎖相環(huán)技術(shù)是模擬集成電路設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的研究方向。但是，現(xiàn)在中高檔的可編程邏輯器件一般都集成有片內(nèi)的鎖相環(huán)（如Xilinx的Spartan2系列，Altera的Cyclone系列）。鎖相環(huán)一端連接外部全局時(shí)鐘或者全局控制信號(hào)，另一端連接可編程邏輯器件內(nèi)部專門的布線網(wǎng)絡(luò)，可以最大程度地減少全局時(shí)鐘信號(hào)到片內(nèi)各個(gè)部分的布線延遲，有效地消除了時(shí)鐘偏移而帶一的各種問(wèn)題。同時(shí)，鎖相環(huán)一般都提供了倍頻、分頻、相移三個(gè)功能。
1應(yīng)用背景介紹
本文用FPGA實(shí)現(xiàn)FIFO，連接PCI與TI的TMS320C6204的擴(kuò)展總線，與DSP傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)鐘達(dá)到100MHz。由于DSP的接口對(duì)于時(shí)鐘和信號(hào)的要求很苛刻，所以下面具體分析核心的DSP的XBUS時(shí)序。
DSP的擴(kuò)展總線（XBUS）是一個(gè)32位寬的總線，支持與異步外設(shè)、異步/同步FIFO、PCI橋以及外部主控處理器等的接口。它同時(shí)提供一個(gè)靈活的總線仲裁機(jī)制，可以內(nèi)部進(jìn)行仲裁，也可以由外部邏輯完成。
本文中使用XBUS的同步FIFO接口。如果是要讀取FIFO，首先FIFO要通過(guò)中斷信號(hào)XINT0來(lái)通知XBUS數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后XBＵＳ響應(yīng)ＸＣＥ０、ＸＲＥ、ＸＯＥ有效，就開始讀�。疲桑疲现械臄�(shù)據(jù)，讀ＦＩＦＯ的時(shí)序如圖１所示；如果是要寫ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ通過(guò)ＸＩＮＴ１申請(qǐng)ＸＢＵＳ，然后ＸＢＵＳ響應(yīng)ＸＣＥ１、ＸＷＥ有效，開始一個(gè)寫ＦＩＦＯ的ＤＭＡ傳輸過(guò)程，寫ＦＩＦＯ的時(shí)序如圖２所示。
通過(guò)分析ＸＢＵＳ讀寫ＦＩＦＯ的時(shí)序關(guān)系可以看出，在FIFO實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)地方：
�、賆BUS工作時(shí)鐘是100MHz，對(duì)于大部分的FPGA來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較高的頻率。而且，由于讀出的數(shù)據(jù)要求一定的建立時(shí)間（setuptime）和保持時(shí)間（holdtime），這就對(duì)內(nèi)部邏輯的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。
�、谧xFIFO時(shí)，必須在使能信號(hào)有效之后的第二個(gè)時(shí)鐘周期就把數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于FIFO內(nèi)部的雙端口RAM來(lái)說(shuō)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)不一定能滿足要求（有很多RAM是在使能信號(hào)只有的3～5個(gè)時(shí)鐘周期才輸出數(shù)據(jù)的）。這樣，通用FIFO中就要考慮產(chǎn)生預(yù)讀邏輯來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，以滿足XBUS嚴(yán)格的時(shí)序要求。
③XBUS的使能信號(hào)XCE0/XCE1/XRE/XOE/XWE的變化時(shí)間范圍是在時(shí)鐘有效之后的1～7ns，考慮到FPGA內(nèi)部的組合邏輯延時(shí)和布線延時(shí)，這樣對(duì)有效信號(hào)的鎖定可能是不穩(wěn)定的。這就為邏輯設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度。
2鎖相環(huán)的相移功能
系統(tǒng)時(shí)鐘是100MHz，為了獲得更好的布線效果和系統(tǒng)性能，時(shí)鐘信號(hào)必須經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)到達(dá)全局時(shí)鐘布線網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，鎖相環(huán)還可以提供多個(gè)時(shí)鐘相移的信號(hào)，同樣可以連接到全局布線網(wǎng)絡(luò)來(lái)驅(qū)動(dòng)片的時(shí)鐘信號(hào)。以Xilinx公司的SPARTAN2系列芯片為例（Altera的Cyclone或者更高級(jí)別的系列也提供了類似的鎖相環(huán)），使用片內(nèi)鎖相環(huán)進(jìn)行時(shí)鐘相移的示意如圖3所示。
相移以后的時(shí)鐘對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大的用處。本文利用了相移以后的時(shí)鐘解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)難點(diǎn)，取得了令人滿意的效果：
①用PLL解決使能信號(hào)漂移的難題；
�、谑褂肞LL滿足TI的TMS320C62XX系列DSP中XBUS的建立、保持時(shí)間要求。
3使用PLL解決使能信號(hào)漂移的難題
>由于DSP的XBUS響應(yīng)FIFO的中斷XINT0時(shí)，需要回復(fù)XRF、XCE0、XOE三個(gè)信號(hào)。只有三個(gè)同時(shí)有效時(shí)，才可以讀FIFO，所以讀使能信號(hào)RDEN=not(XCE0orXREorXOE)；XBUS回復(fù)FIFO中斷信號(hào)XINT1時(shí)，需要回復(fù)XWE和XCE1兩個(gè)信號(hào)。只有兩個(gè)信號(hào)時(shí)有效才可以寫FIFO，所以WREN=not(XCE1orXWE)。
RDEN或者WREN都是由FPGA內(nèi)部組合邏輯產(chǎn)生的，在FPGA內(nèi)部組合邏輯的物理延時(shí)（tc）為3～5ns�？紤]到XBUS的使能信號(hào)本身相對(duì)于時(shí)鐘上升沿（td）就有1～7ns，所以使能信號(hào)有效相對(duì)時(shí)鐘上升沿來(lái)說(shuō)可能的變化范圍為4～12ns，如圖4所示。
圖3中，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)的相移，驅(qū)動(dòng)FPGA內(nèi)部邏輯的時(shí)鐘。相對(duì)于XCLK來(lái)說(shuō)，如果XBUS的回應(yīng)信號(hào)的延時(shí)為1ns(圖4中實(shí)線所示部分)，則RDEN經(jīng)過(guò)組合邏輯延遲，變?yōu)楦哂行У臅r(shí)候，可以在時(shí)鐘的第一個(gè)上升沿采樣到（圖4中實(shí)線所示）；如果XBUS的回應(yīng)信號(hào)延時(shí)為7ns（圖4中虛線所示），則RDEN經(jīng)過(guò)組合邏輯延遲以后，只能在第二個(gè)時(shí)鐘的上升延才能采樣到高有效信號(hào)。
顯而易見，XBUS信號(hào)延遲的變化范圍太大，造成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性。要解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)邏輯優(yōu)化是沒(méi)有辦法來(lái)進(jìn)行的。因?yàn)楫a(chǎn)生使能信號(hào)的那一級(jí)組合邏輯本身的延遲是無(wú)法改變的。
本文靈活地運(yùn)用了FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)的移相功能，巧妙地解決了信號(hào)XCLK_Shift相對(duì)于XCLK的相移問(wèn)題。而且，經(jīng)過(guò)這個(gè)相移以后的時(shí)鐘信號(hào)，無(wú)論XBUS使能信號(hào)怎么在1～7ns內(nèi)發(fā)生變化，都可以保證在XCLK_Shift的第二個(gè)時(shí)鐘周期采樣到高有效信號(hào)。這樣就確定了穩(wěn)定的邏輯關(guān)系，為可靠穩(wěn)定的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
4使用PLL滿足XBUS的建立、保持時(shí)間要求
如圖1中所示，F(xiàn)IFO中數(shù)據(jù)輸出時(shí)需要滿足一定的建立和保持時(shí)間（圖1中為時(shí)間5和時(shí)間6）。但是，時(shí)鐘信號(hào)XCLK輸入FPGA的時(shí)候需要首先經(jīng)過(guò)IOB（輸入輸出模塊），然后才能連接到鎖相環(huán)部分進(jìn)入全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。采用同步輸出的時(shí)候，輸出數(shù)據(jù)也要經(jīng)過(guò)IOB才可以輸出。IOB本身的延時(shí)就很容易導(dǎo)致無(wú)法確保正確的建立和保持時(shí)間，滿足不了XBUS的要求，如圖5所示。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，同樣可以采用鎖相環(huán)進(jìn)行時(shí)鐘相位偏移來(lái)彌補(bǔ)通過(guò)IOB引起的時(shí)鐘相位偏移。這樣，數(shù)據(jù)端的輸出只要相對(duì)于經(jīng)過(guò)偏移的時(shí)鐘信號(hào)滿足建立保持時(shí)間，那么，就可以滿足原始時(shí)鐘信號(hào)的要求（如圖5中虛線所示）。
5結(jié)論
通過(guò)合理的使用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)，本文在不改動(dòng)原有邏輯設(shè)計(jì)和代碼的情況下，巧妙地解決了高速DSP擴(kuò)展總線XBUS與FIFO的接口問(wèn)題。為系統(tǒng)和邏輯設(shè)計(jì)解決了可能遇到的幾個(gè)難點(diǎn)，為進(jìn)一步的研究和開發(fā)提供了一種解決問(wèn)題的新方法和思路。
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