使用PLD內(nèi)部鎖相環(huán)解決系統(tǒng)設(shè)計難題

鎖相環(huán)

鎖相環(huán)

關(guān)鍵詞：PLD 內(nèi)嵌鎖相環(huán) FIFO XBUS

引言

微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是片上系統(tǒng)（SoC），也就是在一塊芯片上實現(xiàn)整個系統(tǒng)，包括模擬部分和數(shù)字部分。作為IC產(chǎn)業(yè)中重要的一個分支，可編程邏輯器件（PLD）也在努力向這個方向發(fā)展。無論是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)計中一個重要的研究方向。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鐘或者全局控制信號，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鐘信號到片內(nèi)各個部分的布線延遲，有效地消除了時鐘偏移而帶一的各種問題。同時，鎖相環(huán)一般都提供了倍頻、分頻、相移三個功能。

1 應(yīng)用背景介紹

本文用FPGA實現(xiàn)FIFO，連接PCI與TI的TMS320C6204的擴(kuò)展總線，與DSP傳輸數(shù)據(jù)的時鐘達(dá)到100MHz。由于DSP的接口對于時鐘和信號的要求很苛刻，所以下面具體分析核心的DSP的XBUS時序。

DSP的擴(kuò)展總線（XBUS）是一個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。它同時提供一個靈活的總線仲裁機(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要通過中斷信號XINT0來通知XBUS數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后XBＵＳ響應(yīng)ＸＣＥ０、ＸＲＥ、ＸＯＥ有效，就開始讀取ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)，讀ＦＩＦＯ的時序如圖１所示；如果是要寫ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ通過ＸＩＮＴ１申請ＸＢＵＳ，然后ＸＢＵＳ響應(yīng)ＸＣＥ１、ＸＷＥ有效，開始一個寫ＦＩＦＯ的ＤＭＡ傳輸過程，寫ＦＩＦＯ的時序如圖２所示。

通過分析ＸＢＵＳ讀寫ＦＩＦＯ的時序關(guān)系可以看出，在FIFO實現(xiàn)的過程中需要注意以下幾個地方：

①XBUS工作時鐘是100MHz，對于大部分的FPGA來說是一個比較高的頻率。而且，由于讀出的數(shù)據(jù)要求一定的建立時間（setup time）和保持時間（hold time），這就對內(nèi)部邏輯的設(shè)計提出了較高的要求。

②讀FIFO時，必須在使能信號有效之后的第二個時鐘周期就把數(shù)據(jù)輸出。對于FIFO內(nèi)部的雙端口RAM來說，這個實現(xiàn)起來不一定能滿足要求（有很多RAM是在使能信號只有的3～5個時鐘周期才輸出數(shù)據(jù)的）。這樣，通用FIFO中就要考慮產(chǎn)生預(yù)讀邏輯來產(chǎn)生數(shù)據(jù)，以滿足XBUS嚴(yán)格的時序要求。

③XBUS的使能信號XCE0/XCE1/XRE/XOE/XWE的變化時間范圍是在時鐘有效之后的1～7ns，考慮到FPGA內(nèi)部的組合邏輯延時和布線延時，這樣對有效信號的鎖定可能是不穩(wěn)定的。這就為邏輯設(shè)計帶來了很大的難度。

2 鎖相環(huán)的相移功能

系統(tǒng)時鐘是100MHz，為了獲得更好的布線效果和系統(tǒng)性能，時鐘信號必須經(jīng)過鎖相環(huán)到達(dá)全局時鐘布線網(wǎng)絡(luò)。同時，鎖相環(huán)還可以提供多個時鐘相移的信號，同樣可以連接到全局布線網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動片的時鐘信號。以Xilinx公司的SPARTAN2系列芯片為例（Altera的Cyclone或者更高級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)行時鐘相移的示意如圖3所示。

相移以后的時鐘對于系統(tǒng)設(shè)計有很大的用處。本文利用了相移以后的時鐘解決了系統(tǒng)設(shè)計中的兩個難點，取得了令人滿意的效果：

①用PLL解決使能信號漂移的難題；

②使用PLL滿足TI的TMS320C62XX系列DSP中XBUS的建立、保持時間要求。

3 使用PLL解決使能信號漂移的難題

由于DSP的XBUS響應(yīng)FIFO的中斷XINT0時，需要回復(fù)XRF、XCE0、XOE三個信號。只有三個同時有效時，才可以讀FIFO，所以讀使能信號RDEN=not(XCE0 or XRE or XOE)；XBUS回復(fù)FIFO中斷信號XINT1時，需要回復(fù)XWE和XCE1兩個信號。只有兩個信號時有效才可以寫FIFO，所以WREN=not(XCE1 or XWE)。

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（tc）為3～5ns。考慮到XBUS的使能信號本身相對于時鐘上升沿（td）就有1～7ns，所以使能信號有效相對時鐘上升沿來說可能的變化范圍為4～12ns，如圖4所示。

圖3中，系統(tǒng)經(jīng)過鎖相環(huán)的相移，驅(qū)動FPGA內(nèi)部邏輯的時鐘。相對于XCLK來說，如果XBUS的回應(yīng)信號的延時為1ns(圖4中實線所示部分)，則RDEN經(jīng)過組合邏輯延遲，變?yōu)楦哂行У臅r候，可以在時鐘的第一個上升沿采樣到（圖4中實線所示）；如果XBUS的回應(yīng)信號延時為7ns（圖4中虛線所示），則RDEN經(jīng)過組合邏輯延遲以后，只能在第二個時鐘的上升延才能采樣到高有效信號。

顯而易見，XBUS信號延遲的變化范圍太大，造成了系統(tǒng)設(shè)計的不穩(wěn)定性。要解決這個問題，通過邏輯優(yōu)化是沒有辦法來進(jìn)行的。因為產(chǎn)生使能信號的那一級組合邏輯本身的延遲是無法改變的。

本文靈活地運用了FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)的移相功能，巧妙地解決了信號XCLK_Shift相對于XCLK的相移問題。而且，經(jīng)過這個相移以后的時鐘信號，無論XBUS使能信號怎么在1～7ns內(nèi)發(fā)生變化，都可以保證在XCLK_Shift的第二個時鐘周期采樣到高有效信號。這樣就確定了穩(wěn)定的邏輯關(guān)系，為可靠穩(wěn)定的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

4 使用PLL滿足XBUS的建立、保持時間要求

如圖1中所示，F(xiàn)IFO中數(shù)據(jù)輸出時需要滿足一定的建立和保持時間（圖1中為時間5和時間6）。但是，時鐘信號XCLK輸入FPGA的時候需要首先經(jīng)過IOB（輸入輸出模塊），然后才能連接到鎖相環(huán)部分進(jìn)入全局時鐘網(wǎng)絡(luò)。采用同步輸出的時候，輸出數(shù)據(jù)也要經(jīng)過IOB才可以輸出。IOB本身的延時就很容易導(dǎo)致無法確保正確的建立和保持時間，滿足不了XBUS的要求，如圖5所示。

為了解決這個問題，同樣可以采用鎖相環(huán)進(jìn)行時鐘相位偏移來彌補(bǔ)通過IOB引起的時鐘相位偏移。這樣，數(shù)據(jù)端的輸出只要相對于經(jīng)過偏移的時鐘信號滿足建立保持時間，那么，就可以滿足原始時鐘信號的要求（如圖5中虛線所示）。

5 結(jié)論

通過合理的使用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)，本文在不改動原有邏輯設(shè)計和代碼的情況下，巧妙地解決了高速DSP擴(kuò)展總線XBUS與FIFO的接口問題。為系統(tǒng)和邏輯設(shè)計解決了可能遇到的幾個難點，為進(jìn)一步的研究和開發(fā)提供了一種解決問題的新方法和思路。