本文主要是介绍『FPGA通信接口』LVDS接口(4)LVDS接收端设计,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
文章目录
- 1.LVDS接收端概述
- 2逻辑框图
- 3.xapp855训练代码解读
- 4.接收端发送端联调
- 5.传送门
1.LVDS接收端概述
接收端的传输模型各个属性应该与LVDS发送端各属性一致,例如,如果用于接收CMOS图像传感器的图像数据,则接收端程序的串化因子、通道个数等将要与设备一致。在硬件设计上,LVDS时钟线和LVDS数据线应该等长设计,但由于布线制板工艺的影响,难免数据线和时钟线无法同时到达接收端,在传输速度快时,微乎其微的偏差都可能让数据出错,这就是LVDS接收端要解决的问题,即在数据稳定窗口的中心采样,保持数据的稳定,这个动作称之为位对齐。此外,当在数据线上重复发送ABCDEFGH(假设一个字母代表一个bit),有可能接收到的是BCDEFGHA产生字偏移,通过ISERDES2的bitslip可以完成数据的平移,这个动作称之为“字对齐”。接收端通过IBUFDS进行差分转单端信号便于逻辑处理,将lvds传输线上的串行数据经过IDELAY2进行位对齐操作,随后利用ISERDES2将该串行数据并行化即字对齐操作,将发送端的数据恢复。其难点就在于如何实现字对齐和位对齐操作。Xilinx提供了多个例程适用于不同系列的FPGA,如xapp860和xapp855适于V5,xapp585适用于7系列,还有适用于ultrascale的例程。本例程基于xapp855修改使之适配7系列并满足既定传输模型属性要求。
2逻辑框图
以下框图截取自xapp855,与示例程序并不一致。数据差分信号经IBUFDS转化为单端信号,进入IDELAY2(由于xapp855适用于V5,而当前程序适用于7系列,因此原语的名称有所不同)将数据位对齐后进入ISEDERS2转换成并行数据;时钟差分信号经过IBUFDS转化成单端信号,进入IDELAY2(此处为0,以时钟到达为基准)由BUFR倍频出并行时钟,经BUFIO产生串行时钟。此外,使用IDELAY必须要使用IDELAYCTRL,输入200MHz作为参考时钟。还有两个逻辑模块一个是Bit Align Machine实现位对齐字对齐,产生ISERDES2和IDELAY2所需的信号,完成当前LVDS传输线的对齐操作。Resource sharing control实现通道切换,和训练完成的指示。
3.xapp855训练代码解读
通道选择模块较为简单,主要介绍Bit Align Machine模块是如何完成单通道的数据训练操作。将ISERDES2模块传入的并行数据A打一拍得到B,当A不等于B的时候,认为此时遇到了亚稳态,即建立时间或者保持时间不满足要求的情况。当连续几个周期B等于pattern数据时,认为此时的采样点可用,字对齐也完成。完成数据训练的主要思路是,先使用IDEALY延迟直到找见一个亚稳态的点,未找见就延迟加1,然后继续增加延迟并加入字节对齐的判断直到找到Pattern数据,认为此时找到了数据窗口的左值,继续增加延时值,直到找见下一个亚稳态的采样点。从第一个pattern数据出现,增加延时值到下一个亚稳态的出现之间就是数据有效窗口,然后通过减去延迟值找到采样中心点,此后再次判断字对齐的情况,当字对齐结束后认为此LVDS传输线数据训练完成。由Resource sharing control控制开始训练下一个LVDS传输线。
以上截图出自xapp855的解释说明,步骤①即是假定数据和时钟到达时二者的相对位置关系。步骤②是经过延时找到了第一个亚稳态窗口(Transition),图中斜线部分代表此时数据采样不稳定。步骤③是通过延时和bitslip寻找到数据有效窗口的左值(Eye)。步骤④是通过延时找到下一个亚稳态窗口,由此在③和④之间便是数据有效的窗口。步骤⑤是将采样点控制到数据有效窗口的中心位置。需要注意,IDELAY2总共只有32个阶,当参考时钟是200MHz时,每一阶延时78ps,即总共可延时32*78=2496ps=2.5ns。因此数据传输的线速率不能太低,线速率太低时需要采用别的方法或者调整该状态机,否则会错误的找到最佳采样点,出现不稳定的情况,因此使用该程序,其线数据传输速率建议大于400Mbps。
下面对该模块中状态机简单分析便于理解。
- 00000不动(指各计数模块,idelay、bitslip均不做操作,后同),保证不与通道切换指令冲突。
- 00001不动 比较前一个后一个,不相等认为找见第一个亚稳态窗口。
- 01000 SAMPLE(指代码中信号含SAMPLE的128bit计数器,后同)计数器加1,连续抓15次判断是否为亚稳态窗口。
- 01011 IDELAY延时加1,两个计数器清0。
- 00100 SAMPLE控制7个周期后判断是否亚稳态,如此循环直到找到亚稳态窗口,即进入01111状态。(上述五个步骤必定能找见亚稳态窗口)
- 01111 SAMPLE清0 IDEALAY加1 准备寻找pattern。
- 01101 SAMPLE加1 JC添加8周期等待 找等于check pattern 找见就准备记录 重复上述步骤,直到找见稳态check pattern即渡过第一个窗口 bitslip=1。
- 01100 SAMPLE清0 (进入IDLE状态)。
- 10000 第二个idle 不动作。
- 00010再次确认是否退出了窗口 如果没有退出,重复上述步骤直到退出。
- 01110 确认跳出第一个亚稳态窗口,该状态CNT开始计数,找左值。
- 01001 idelay值加1 CNT开始计数(记录的是数据有效窗口的大小,CNT指代码中不含SAMPLE的128计数器) 找下一个亚稳态区域。
- 00011 SAMPLE计数控制8周期后比较数据,复制当前的CNT中的计数值,找见第二个就退出,找不见就重复上面步骤。
- 10010 计数器全部清0 无动作跳转。
- 01010 idelay减一减到有效采样的中间处即可,清0CNT。思考,假如taps的值不够用怎么办(即前文提到线数据速率不能太慢,否则会出现这种情况)。
- 00101 CNT控制延时,再次确认是否word对齐,默认当前已经到了采样中心点 word对齐则进入成功完成数据训练状态,word没有对齐就再次进入word对齐状态
- 00110 bitslip一次
- 00111 指示当前通道训练完成,准备切换到下一个通道,重复上述步骤进行训练
注意: 将该程序移植到7系列的板卡时需要注意,7系列的原语ISERDES2与V5不同,bitslip信号不能一直给,一旦一直给将无法穷举所有的可能值,在bitslip使能之后要拉低两个周期继续使能,否则这个系统的状态机可能出错。
4.接收端发送端联调
将发送端和接收端写在一个工程里,验证LVDS的收发,其结果如下,可以看到发送端发送的数据与接收的数据一致,data_aglin信号拉高,代表数据训练完成。
总结:
①本文只是提供了众多实现lvds收发方法中的一种,例如,可以使用ODDR原语产生差分信号;IDELAY有四种模式,本文使用VARIABLE模式,还可以尝试VAR_LOAD模式;xilinx提供了一个名为SelectIO Interface Wizard的ip核其中涵盖了LVDS收发使用的全部selectio资源,在领悟本例精神后可以用其练手。
②寻找数据中心的方式也是可以灵活多变的。
③xapp855的代码结构以及代码风格可以提供一种新的思考,包括通道与训练的管理,计数器的服用,以及状态指示训练完成的写法都值得学习和总结。
④Xapp585提供了基于7系列的原语设计,便于工程的移植和扩展,另外其位对齐和字对齐分开实现,是数据训练的另外一种思路。
⑤关于文中提到的原语的使用可返回目录查看对应文章。
⑥7系列的iserdes2原语要求bitslip后三个周期才能下一次bitslip,因此在LVDS收发程序中加入了这里的控制。
5.传送门
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