使用PLD内部锁相环解决系统设计难题

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使用PLD内部锁相环解决系统设计难题 [复制链接]

摘要： 从整个应用系统的角度，理解和分析PLD内部锁相环；在此基础上，深入剖析锁相环的相移结构，同时用这个技术解决系统设计难题。
关键词： PLD 内嵌锁相环 FIFO XBUS
引言
微电子技术的发展趋势是片上系统（SoC），也就是在一块芯片上实现整个系统，包括模拟部分和数字部分。作为IC产业中重要的一个分支，可编程逻辑器件（PLD）也在努力向这个方向发展。无论是Xilinx还是Altera，它们最新的PLD产品中都集成了诸如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处理器。例如，Xlinux的Vietex2-Pro系列就是集成了PowerPC微处理器。
锁相环技术是模拟集成电路设计中一个重要的研究方向。但是，现在中高档的可编程逻辑器件一般都集成有片内的锁相环（如Xilinx的Spartan2系列，Altera的Cyclone系列）。锁相环一端连接外部全局时钟或者全局控制信号，另一端连接可编程逻辑器件内部专门的布线网络，可以最大程度地减少全局时钟信号到片内各个部分的布线延迟，有效地消除了时钟偏移而带一的各种问题。同时，锁相环一般都提供了倍频、分频、相移三个功能。

1 应用背景介绍
本文用FPGA实现FIFO，连接PCI与TI的TMS320C6204的扩展总线，与DSP传输数据的时钟达到100MHz。由于DSP的接口对于时钟和信号的要求很苛刻，所以下面具体分析核心的DSP的XBUS时序。
DSP的扩展总线（XBUS）是一个32位宽的总线，支持与异步外设、异步/同步FIFO、PCI桥以及外部主控处理器等的接口。它同时提供一个灵活的总线仲裁机制，可以内部进行仲裁，也可以由外部逻辑完成。
本文中使用XBUS的同步FIFO接口。如果是要读取FIFO，首先FIFO要通过中断信号XINT0来通知XBUS数据已经准备好，然后XBＵＳ响应ＸＣＥ０、ＸＲＥ、ＸＯＥ有效，就开始读取ＦＩＦＯ中的数据，读ＦＩＦＯ的时序如图１所示；如果是要写ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ通过ＸＩＮＴ１申请ＸＢＵＳ，然后ＸＢＵＳ响应ＸＣＥ１、ＸＷＥ有效，开始一个写ＦＩＦＯ的ＤＭＡ传输过程，写ＦＩＦＯ的时序如图２所示。

通过分析ＸＢＵＳ读写ＦＩＦＯ的时序关系可以看出，在FIFO实现的过程中需要注意以下几个地方：
①XBUS工作时钟是100MHz，对于大部分的FPGA来说是一个比较高的频率。而且，由于读出的数据要求一定的建立时间（setup time）和保持时间（hold time），这就对内部逻辑的设计提出了较高的要求。
②读FIFO时，必须在使能信号有效之后的第二个时钟周期就把数据输出。对于FIFO内部的双端口RAM来说，这个实现起来不一定能满足要求（有很多RAM是在使能信号只有的3～5个时钟周期才输出数据的）。这样，通用FIFO中就要考虑产生预读逻辑来产生数据，以满足XBUS严格的时序要求。
③XBUS的使能信号XCE0/XCE1/XRE/XOE/XWE的变化时间范围是在时钟有效之后的1～7ns，考虑到FPGA内部的组合逻辑延时和布线延时，这样对有效信号的锁定可能是不稳定的。这就为逻辑设计带来了很大的难度。

2 锁相环的相移功能
系统时钟是100MHz，为了获得更好的布线效果和系统性能，时钟信号必须经过锁相环到达全局时钟布线网络。同时，锁相环还可以提供多个时钟相移的信号，同样可以连接到全局布线网络来驱动片的时钟信号。以Xilinx公司的SPARTAN2系列芯片为例（Altera的Cyclone或者更高级别的系列也提供了类似的锁相环），使用片内锁相环进行时钟相移的示意如图3所示。
相移以后的时钟对于系统设计有很大的用处。本文利用了相移以后的时钟解决了系统设计中的两个难点，取得了令人满意的效果：
①用PLL解决使能信号漂移的难题；
②使用PLL满足TI的TMS320C62XX系列DSP中XBUS的建立、保持时间要求。
3 使用PLL解决使能信号漂移的难题
由于DSP的XBUS响应FIFO的中断XINT0时，需要回复XRF、XCE0、XOE三个信号。只有三个同时有效时，才可以读FIFO，所以读使能信号RDEN=not(XCE0 or XRE or XOE)；XBUS回复FIFO中断信号XINT1时，需要回复XWE和XCE1两个信号。只有两个信号时有效才可以写FIFO，所以WREN=not(XCE1 or XWE)。
RDEN或者WREN都是由FPGA内部组合逻辑产生的，在FPGA内部组合逻辑的物理延时（tc）为3～5ns。考虑到XBUS的使能信号本身相对于时钟上升沿（td）就有1～7ns，所以使能信号有效相对时钟上升沿来说可能的变化范围为4～12ns，如图4所示。
图3中，系统经过锁相环的相移，驱动FPGA内部逻辑的时钟。相对于XCLK来说，如果XBUS的回应信号的延时为1ns(图4中实线所示部分)，则RDEN经过组合逻辑延迟，变为高有效的时候，可以在时钟的第一个上升沿采样到（图4中实线所示）；如果XBUS的回应信号延时为7ns（图4中虚线所示），则RDEN经过组合逻辑延迟以后，只能在第二个时钟的上升延才能采样到高有效信号。

显而易见，XBUS信号延迟的变化范围太大，造成了系统设计的不稳定性。要解决这个问题，通过逻辑优化是没有办法来进行的。因为产生使能信号的那一级组合逻辑本身的延迟是无法改变的。
本文灵活地运用了FPGA内部锁相环的移相功能，巧妙地解决了信号XCLK_Shift相对于XCLK的相移问题。而且，经过这个相移以后的时钟信号，无论XBUS使能信号怎么在1～7ns内发生变化，都可以保证在XCLK_Shift的第二个时钟周期采样到高有效信号。这样就确定了稳定的逻辑关系，为可靠稳定的设计奠定了基础。
4 使用PLL满足XBUS的建立、保持时间要求
如图1中所示，FIFO中数据输出时需要满足一定的建立和保持时间（图1中为时间5和时间6）。但是，时钟信号XCLK输入FPGA的时候需要首先经过IOB（输入输出模块），然后才能连接到锁相环部分进入全局时钟网络。采用同步输出的时候，输出数据也要经过IOB才可以输出。IOB本身的延时就很容易导致无法确保正确的建立和保持时间，满足不了XBUS的要求，如图5所示。
为了解决这个问题，同样可以采用锁相环进行时钟相位偏移来弥补通过IOB引起的时钟相位偏移。这样，数据端的输出只要相对于经过偏移的时钟信号满足建立保持时间，那么，就可以满足原始时钟信号的要求（如图5中虚线所示）。
5 结论
通过合理的使用FPGA内部的锁相环，本文在不改动原有逻辑设计和代码的情况下，巧妙地解决了高速DSP扩展总线XBUS与FIFO的接口问题。为系统和逻辑设计解决了可能遇到的几个难点，为进一步的研究和开发提供了一种解决问题的新方法和思路。