1Versal IO介紹

1.1IO的劃分和分布

7nm Versal系列相對(duì)于16nm Ultrascale plus系列，IO做了升級(jí)，U+系列的HPIO在Versal升級(jí)為XPIO。Versal系列每一個(gè)XPIO bank包含54個(gè)IO管腳，其中包含9個(gè)nibbles，每個(gè)nibbles包含6個(gè)IO；每個(gè)bank包含2個(gè)XPLL、1個(gè)DPLL和1個(gè)MMCM時(shí)鐘資源。

1.2IO feature

XPIO支持0.6-1.5v電平，最高速率支持4.22gbps，支持3.2g mipi dphy，支持DDR4/Lpddr4硬核控制器，部分器件支持10g mipi cphy/DDR5/LPDDR5。

XPHY的IO delays 625 ps（512taps），tap精度約為1.22-4ps，級(jí)聯(lián)后io delay最高達(dá)到1250ps；Delay值通過(guò)下圖所示的XPHY接口完成更新，若需要獲取delay信息，建議在變化之后4個(gè)時(shí)鐘周期之后讀取更新的值，避開(kāi)不穩(wěn)定的狀態(tài)。

2與U+系列的差異

XPIO性能與U+系列select io相比有較大的提升，延遲精度，串化因子等方面都有明顯的改善和提升；二者對(duì)比如下圖所示：

除了IO性能的提升，其他主要的變化包括：

1. IP wizard由High speed SelectIo wizard改為advanced io wizard；

2. Versal系列不再支持hdl only 的設(shè)計(jì)方式for XPHY XPIO，因?yàn)閄PHY互聯(lián)接口非常復(fù)雜，因此用戶需要基于advanced io wizard完成設(shè)計(jì)；

3. 支持同步和異步模式，同步模式下最高支持3.2g，異步模式下最高1.6g；

4. 建議通過(guò)advanced io planner自動(dòng)分配io。

3異步模式的設(shè)計(jì)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制

3.1異步模式的架構(gòu)

在異步模式下沒(méi)有隨路時(shí)鐘，需要通過(guò)CDR完成數(shù)據(jù)的恢復(fù)和采集。

整體架構(gòu)如下圖所示，數(shù)據(jù)經(jīng)XPHY接入，在CDR模塊完成phase detector，delay line tracking，將找到的delay信息配置到XPHY，當(dāng)delay不斷收斂，CDR模塊輸出RX_DATA和DATA_VALID給到下一級(jí)gearbox模塊，在gearbox完成位寬轉(zhuǎn)換并輸出有效數(shù)據(jù)data_out/data_valid。

IP支持兩種CDR模式的數(shù)據(jù)采集：CDR with ppm difference，CDR with Zero ppm；兩種模式下CDR的機(jī)制沒(méi)有大的差別，下文以CDR with ppm difference模式為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.2異步模式下CDR架構(gòu)

CDR的目的是確保UI采樣始終處于異步信號(hào)數(shù)據(jù)的中心位置。UI的采樣需要與數(shù)據(jù)速率相同頻率的時(shí)鐘完成。如SGMII數(shù)據(jù)速率為1250MBps，則RX和TX鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率應(yīng)為1250MHz。在CDR with ppm difference情況下，系統(tǒng)要求本地時(shí)鐘與數(shù)據(jù)速率原本的時(shí)鐘ppm差不超過(guò)100ppm。

CDR主要包含以下四大模塊：

Phase detector

Delay line tracking

Overflow underflow filter

Datapath

1 Phase detector

Phase detector擁有master delay line和slave delayline兩套延遲線檢測(cè)機(jī)制，兩套機(jī)制同時(shí)工作，互為補(bǔ)充，將最大程度保證CDR能成功鎖定。

主延遲線和從延遲線對(duì)于每個(gè)UI，分別取兩個(gè)樣本，送入alexander pangpang鑒相電路，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息，選擇增加或減少延遲。

當(dāng)差分時(shí)鐘的p端和n端上升沿采到同一個(gè)UI sample，next step增加延時(shí)；當(dāng)p端和n端上升沿采到不同UI sample，next step減少延時(shí)。

2 delay line tracking

延遲值在phase dectector模塊中不斷變化，定期更新到delay line tracking模塊中；在delay line tracking模塊中，我們會(huì)不斷跟蹤延遲線的變化情況。

經(jīng)過(guò)不斷的統(tǒng)計(jì)和分析，一旦我們認(rèn)為從PHY接收到D樣本位于UI的中心則當(dāng)前的延遲線和bitslice被鎖定，若一直沒(méi)有達(dá)到UI的中心位置，將會(huì)一直調(diào)整delay line直到達(dá)到邊界。到達(dá)邊界，就會(huì)產(chǎn)生overflow和underflow信號(hào)。

因此，overflow和underflow在調(diào)試中，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，我們可以通過(guò)overflow和underflow信號(hào)，判斷CDR是否達(dá)到鎖定狀態(tài)。

3 underflow overlow filter

該模塊負(fù)責(zé)正確選擇數(shù)據(jù)并提供給輸出。一旦兩個(gè)延遲線都被鎖定，它們自然相隔?個(gè)UI，當(dāng)鎖定發(fā)生，延遲較少的延遲線，將成為active bitslice，數(shù)據(jù)將從該延遲線輸出，另外一條延遲線將成為備選的monitor bitslice。

當(dāng)active bitslice發(fā)生overflow或underflow時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到monitor bitslice獲取有效數(shù)據(jù)，而此時(shí)，如果monitor bitslice也發(fā)生overflow或underflow，兩套機(jī)制都無(wú)法鎖定的情況下，CDR會(huì)真正失鎖，系統(tǒng)將無(wú)法采集到正確的數(shù)據(jù)。

4 CustomCDR模式

在異步模式下，如果IP自帶的CDR無(wú)法滿足使用需求，客戶也可以考慮使能customCDR，參考example design去完成自定義的CDR，取得更大的靈活性；在customCDR模式下，我們完整開(kāi)放XPHY的延遲配置接口，客戶可以根據(jù)自己的需求靈活設(shè)計(jì)自定義的CDR模塊。

4advanced io planner

為了更合理的利用XPHY的資源，AMD建議通過(guò)advanced io planner來(lái)規(guī)劃IO分配，工具是基于集中式硬件規(guī)則盡可能的優(yōu)化安排的。

工程經(jīng)過(guò)綜合之后，點(diǎn)擊紅色框位置，激活advaned I/O Planner

用戶可以選擇自動(dòng)分配，也可以手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，在IO instances下面工具已經(jīng)完成自動(dòng)分配

若需要手動(dòng)調(diào)整，在nibble group菜單下面，手動(dòng)選擇你需要放置的nibble

5調(diào)試要點(diǎn)

IP調(diào)試過(guò)程中的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1. advanced io wizard IP無(wú)法輸出有效數(shù)據(jù)，data valid不能正常拉高：請(qǐng)檢查本地時(shí)鐘與源端時(shí)鐘的ppm差，不能大于100ppm；

2. 當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者位移，可以使能enable debug port，觀察是否有出現(xiàn)overflow和underflow的情況，是否存在master delay line和slave delay line切換或者失去鎖定的痕跡，幫助確認(rèn)CDR的鎖定狀態(tài)。

關(guān)于安富利

安富利是全球領(lǐng)先的技術(shù)分銷商和解決方案提供商，在過(guò)去一個(gè)多世紀(jì)里一直秉持初心，致力于滿足客戶不斷變化的需求。通過(guò)遍布全球的專業(yè)化和區(qū)域化業(yè)務(wù)覆蓋，安富利可在產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段為客戶和供應(yīng)商提供支持。安富利能夠幫助各種類型的公司適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)環(huán)境，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中加快設(shè)計(jì)和供應(yīng)速度。安富利在整個(gè)技術(shù)價(jià)值鏈中處于中心位置，這種獨(dú)特的地位和視角讓其成為了值得信賴的合作伙伴，能夠幫助客戶解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈難題，從而更快地實(shí)現(xiàn)營(yíng)收。