基于FPGA原語的低延時高速接口實現方法

任智新， 王江為， 闞宏偉， 趙坤

(1.浪潮電子信息產業(yè)股份有限公司， 山東 濟南 2500132；2.廣東浪潮大數據研究有限公司， 廣東 廣州 510627)

0 引言

近幾年，隨著現場可編程門陣列(FPGA，Filed Programmable Gate Array)自身功能的不斷完善以及多核CPU性能的提升遇到摩爾定律瓶頸，使FPGA受到越來越多人的青睞。尤其在高速數據互連、并行計算處理以及計算機異構加速系統(tǒng)中FPGA都有著出色的表現。這也得益于各個FPGA廠商提供了集成度高的IP核以及豐富易操作的軟硬件開發(fā)工具，開發(fā)人員不必過多關注FPGA底層設計開發(fā)，就可以快速地搭建系統(tǒng)工程，滿足應用的需求。高度集成以及功能豐富且可靈活配置的各類IP核，省去了工程師大部分的工作，可以將更多的精力放在系統(tǒng)架構以及性能提升上，尤其是對于接口的設計上。不論是以太網接口、PCIe接口、DDR接口還是通用的其他高速接口，FPGA廠商均提供了可直接調用的IP，但在對傳輸延時敏感的應用場合下，這樣做會使系統(tǒng)主頻受FPGA內部資源利用率、布局布線以及IP本身延時等因素影響，難以滿足設計要求，或出現時序無法收斂等問題[1-3]。

FPGA原語(Primitive)作為芯片最基本的組件，在實際應用中可以協助解決上述問題，實現上述特殊場合下無法使用高度集成IP的功能。原語是各個器件廠家針對不同FPGA器件特征開發(fā)的一系列常用模塊，是最小單元，相當于軟件中的機器語言，在設計中可直接例化使用，不過不同廠家不同系列器件的原語也會因硬件本身的特點而不同，但是基本的類型和使用方法類似，在具體使用時根據手冊進行調用即可，使用亦非常方便和快捷。另外，原語資源不占用FPGA的可編程邏輯資源，在大規(guī)模的設計中，可充分利用FPGA邏輯資源，完成更加復雜的功能，發(fā)揮出FPGA在并行計算上的優(yōu)勢，激發(fā)出最高的能效比。

本文以Xilinx公司的器件原語展開論述和分析，對原語在高速接口中的應用進行詳細闡述，并描述了FPGA原語在DDR SDRAM鏡像功能中的應用實例和效果。

1 接口組件I/O分析

Xilinx FPGA原語根據實現的功能大概分為10類：包括時鐘組件、I/O組件、寄存器/鎖存器、處理器組件、計算組件、移位寄存器、配置和檢測組件、RAM/ROM組件、Slice/CLB組件以及G-tranceiver，不同型號器件包含的組件類別不完全相同，但基本都包含在這10大類中。本文在對I/O組件的功能和應用進行了分析，提出延時可變以及低延時適用于高速數據傳輸的接口。

常見的Xilinx廠家的器件I/O組件由于產品型號的不同而有所差異，但基本功能有很大的相似性，常見的組件包括IOBUF/IDDR/IDELAY/ISERDES/ODDR/OSERDES等20幾個I/O組件，可利用這些組件根據需求搭建成不同功能模塊，尤其在高速接口PHY的使用中十分靈活[4]。

1.1 輸出延時可變接口PHY功能實現

本文以幾個典型的原語組件，詳細描述一種低延時且可動態(tài)修改傳輸延時的接口PHY實現方法，其實現框圖如圖1所示。

圖1 PHY接口實現框圖

基于原語實現的PHY接口結構框圖1的各原語的功能如下：

(1) IOBUF組件：輸入/輸出緩沖器，有單端及雙端信號兩種。根據實際信號傳輸的方向選擇，可做輸入、輸出以及雙向信號，通過改變該組件的方向控制信號oe，來改變該組件的輸入輸出方向，是搭建PHY必備的組件，是芯片管腳與內部信號之間的接口，幾乎無輸入輸出延時，僅有硬件實現時的走線延時，該模塊的調用代碼如下：

IOBUF #(

.IBUF_LOW_PWR (IBUF_LOW_PWR))

u_iobuf_d0(

.I (d0_in), //方向為輸出時，輸入到該模塊的數據

.T (d0_oe),//方向控制信號

.IO (d0_inout),//輸入輸出接口，對應pad管腳

.O (dq_out)//方向為輸入時，外部信號經過該模塊后的數據);

(2) IODELAY：可編程的延遲單元。每個PHY接口包含一個該組件，延時時間最大有64個tap的環(huán)繞單元，每個tap值與接口的工作頻率有關，比如V6的芯片，工作頻率是200 MHz，tap=78 ps，所以總的最大延時時間為78×64=4 992 ps，主要用來調整因硬件走線延時的不同而帶來的時序問題，通過改變tap值，保證每組信號線走線延時的一致性，該模塊調用的代碼如下：

(* IODELAY_GROUP = IODELAY_GRP *) IODELAYE1 #

(.CINVCTRL_SEL ("FALSE"),

//其他參數配置略)

u_iodelay_dq (

.DATAOUT (dq_iodelay),

.C (clk),

.CE (1'b0),

.DATAIN (1'b0),

.IDATAIN (dq_in),

.INC (1'b0),

.ODATAIN (dq_oq),

.RST (1'b1),

.T (ocb_tfb),

.CNTVALUEIN (dlyval),

.CNTVALUEOUT (dq_tap_cnt),

.CLKIN (),

.CINVCTRL (1'b0));

模塊時序圖如圖2所示。

圖2 Idelay模塊時序圖

(3) ISERDESE：輸入串并轉換器。ISERDESE可以實現高速數據傳輸，完全不需要FPGA內部邏輯與輸入數據頻率匹配，此轉換器支持SDR、DDR兩種模式，即可以實現兩種不同速度的數據接口轉換，接口與內部邏輯時鐘速率比支持2∶1、3∶1、4∶1和5∶1，用戶可根據系統(tǒng)工作頻率及外部接口頻率靈活選擇。例如，當接口信號工作頻率為400 MHz，而FPGA邏輯內部工作頻率為200 MHz時，為了能不跨時鐘操作，保證時序以及數據采集的正確性，需要設置ISERDESE為2∶1模式，即在內部時鐘頻率的上下沿均采集接口數據，相當于一個時鐘周期可采集外部接口的兩個數據，達到變頻的目的。

(4) OSERDESE：輸出串并轉換器。與ISERDESE功能相同，只是方向相反，串并轉換和并串轉換的工作過程。如圖3所示。

輸入數據轉換流程如下所述：外部信號通過管腳后，經過IOBUF的輸入通路進行無延時緩存；接著進入可動態(tài)調整輸入延時的IODELAY輸入通道，該模塊延時的時間有限，具體參考上文；之后進入ISERDESE串行轉換模塊，該模塊有個特點，當輸入的接口時鐘與分頻時鐘相位相同時，輸入延時為3個接口時鐘時間，而當兩個時鐘相位相差180°時，輸入延時為2個接口時鐘時間，所以通過動態(tài)修改分頻時鐘，改變輸入總的延時，但此延時只能變化一個周期；最后數據進入用戶邏輯，進行數據解析等其他操作。輸出數據轉換流程是輸入的反過程，過程完全一致。

圖3 輸入輸出1∶6 serdes數據轉換

1.2 延時可變的PHY功能仿真圖

轉換DDR(Double Data Rate，雙倍速率)數據、接口與內部邏輯工作頻率比為2∶1情況的仿真示意圖，如圖4(1)、圖4(2)所示。

圖4(1) 輸出延時仿真結果1

圖4(2) 輸出延時仿真結果2

其中圖4(1)是兩時鐘同相時，數據輸出延時為2個CK周期；圖4(2)是當內部邏輯分頻時鐘取反后送入模塊中，數據輸出延時為3個CK周期。

對于I/OSERDESE這一特性在需要輸入/輸出通路延時可變化一個周期時，使用該方法可以大大簡化接口邏輯，提高工作效率。

2 原語在DDR SDRMA控制中的應用

FPGA作為內存控制器在加速卡及內存容錯技術中都有廣泛的應用，在常規(guī)方案中，使用FPGA內IP核[5]來處理DDR接口數據的延時過大，無法滿足接口低延時應用場合下DDR的讀寫時序要求。根據上文對原語的分析，將I/O組件的原語，以合理的方式進行“搭積木”后，可以實現低延時的DDR接口處理模塊，從而滿足系統(tǒng)功能的需求。

2.1 FPGA內集成的接口IP延時分析

通常情況下，對于高速信號接口數據的處理，工程師們會首先選擇FPGA內高度集成的IP核，比如Altera廠家A10器件中高速數據處理接口phylite(Altera PHYLite for Parallel Interfaces IP core)，其主要特性：支持1/4速率到1/2速率以及1/2速率到全速率的轉換I/O、支持單數據速率(SDR)和雙數據速率(DDR) 、支持基于DQS組的數據采集，非常適合處理內存DDR數據，但對該IP進行仿真后發(fā)現，延時高達9個時鐘周期，其仿真結果如圖5所示。

圖5 phyLite1/2速率輸入接口庫仿真圖

而Xilinx的HSSIO(High Speed SelectIO )的輸入輸出延時也多達7個時鐘周期。顯然，用原語搭建的PHY延時最小，3種功能模塊對比結果如表1所示。

表1 接口延時對比

延時的單位為接口周期數。

2.2 原語PHY的應用

為了滿足DDR讀寫延時要求并且使FPGA的時序能很好的收斂，使用第1章描述的方式搭建的低延時高速接口來實現基于FPGA的內存鏡像功能。邏輯內部的工作頻率可以根據接口頻率靈活調整，對應的PHY接口在輸入/輸出分別采用不同的雙沿處理原語：I(O)DDR和I(O)Serdes即可。利用該原語架構的邏輯已經在硬件平臺中得以驗證，將基于Virtex6實現的內存鏡像卡掛在主板后，CPU可以正常訪問內存，且可實現鏡像功能。基于原語實現的DDR高速接口數據輸入輸出示意圖,如圖6所示。

圖6 原語在DDR內存鏡像中的應用

3 總結

通過上述對使用原語I/O組件搭建的PHY接口的分析，不同的原語在不同的輸入源激勵下會有不同的表現，在經過充分的論證和仿真驗證后有一些特殊的功能。使得原語在實現復雜FPGA邏輯中有很好的應用，可方便、靈活地搭建實現各種功能模塊。對于需要延時小、時序緊張的應用中有著比集成IP核更好的效果。本文提出的原語PHY接口可根據實際接口的頻率以及系統(tǒng)功能的需求進行靈活修改，而且可以實現小范圍內延時動態(tài)調整。并且該方式在基于FPGA的內存鏡像卡中有著很好的表現，完成了高速IP無法實現的功能。在對數據傳輸延時低的場合下有很好的應用，不過基于原語實現 的PHY功能相對簡單，若想達到集成IP支持的功能和特性，還需要進行更多的仿真和驗證。