FPGA 设计数据接口的同步方法

 

 


数据接口的同步方法 


数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题,也是一个重点和难点,很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。 在电路图设计阶段,一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟,从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。

还有一些工程师为了有稳定的采样,生成了很多相差 90 度的时钟信号,时而用正沿打一下数据,时而用负沿打一下数据,用以调整数据的采样位置。

这两种做法都十分不可取,问题在于:一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上,采样实现必须从新设计。而且,这两种做法造成电路实现的余量不够,一旦外界条件变换 ( 比如温度升高 ) ,采样时序就有可能完全紊乱,造成电路瘫痪。

下面简单介绍几种不同情况下数据接口的同步方法:

1.  输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测,或者有可能变动的条件下,如何完成数据同步?

答:建立同步机制:采用同步指示信号;采用RAM或FIFO存储。

对于数据的延迟不可测或变动,就需要建立同步机制,可以用一个同步使能或同步指示信号。另外,使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取,也可以达到数据同步目的。

把数据存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下:将上级芯片提供的数据随路时钟作为写信号,将数据写入 RAM 或者 FIFO ,然后使用本级的采样时钟 ( 一般是数据处理的主时钟 ) 将数据读出来即可。这种做法的关键是数据写入 RAM 或者 FIFO 要可靠,如果使用同步 RAM 或者 FIFO ,就要求应该有一个与数据相对延迟关系固定的随路指示信号,这个信号可以是数据的有效指示,也可以是上级模块将数据打出来的时钟。对于慢速数据,也可以采用异步 RAM 或者 FIFO ,但是不推荐这种做法。

数据是有固定格式安排的,很多重要信息在数据的起始位置,这种情况在通信系统中非常普遍。通讯系统中,很多数据是按照 “ ” 组织的。而由于整个系统对时钟要求很高,常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生与驱动。而数据又是有起始位置的,如何完成数据的同步,并发现数据的 “ 头 ” 呢?

数据的同步方法完全可以采用上面的方法,采用同步指示信号,或者使用 RAM 、 FIFO 缓存一下。

找到数据头的方法:有两种,

         第一种很简单,随路传输一个数据起始位置的指示信号即可(如帧开始信号fsync)。对于有些系统,特别是异步系统,则常常在数据中插入一段同步码 ( 比如训练序列 ) ,接收端通过状态机检测到同步码后就能发现数据的 “ 头 ” 了,这种做法叫做 “ 盲检测 ” 。上级数据和本级时钟是异步的,也就是说上级芯片或模块和本级芯片或模块的时钟是异步时钟域的。

 前面在输入数据同步化中已经简单介绍了一个原则:

(1)如果输入数据的节拍和本级芯片的处理时钟同频,可以直接用本级芯片的主时钟对输入数据寄存器采样, 完成输入数据的同步化;

(2)如果输入数据和本级芯片的处理时钟是异步的,特别是频率不匹配的时候,则只有用处理时钟对输入数据做两次寄存器采样,才能完成输入 数据的同步化。需要说明的是,用寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样,其作用是有效防止亚稳态 ( 数据状态不稳定 ) 的传播,使后级电路处理的数据都是有效电平。

但是,这种做法并不能保证两级寄存器采样后的数据是正确的电平,这种方式处理一般都会产生一定数量的错误电平数据。所以仅仅适用于对少量错误不敏感的功能单元。

为了避免异步时钟域产生错误的采样电平,一般使用 RAM 、 FIFO 缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。最常用的缓存单元是 DPRAM ,在输入端口使用上级时钟写数据,在输出端口使用本级时钟读数据,这样就非常方便的完成了异步时钟域之间的数据交换。

2. 设计数据接口同步是否需要添加约束?

          建议最好添加适当的约束,特别是对于高速设计,一定要对周期、建立、保持时间等添加相应的约束。

  这里附加约束的作用有两点:

            a. 提高设计的工作频率,满足接口数据同步要求。通过附加周期、建立时间、保持时间等约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线,以减小逻辑和布线延时,从而 提高工作频率,满足接口数据同步要求。

            b. 获得正确的时序分析报告。几乎所有的 FPGA 设计平台都包含静态时序分析工具,利用这类工具可以获得映射或布局布线后的时序分析报告,从而对设计的性能做出评估。静态时序分析工具以约束作为判断时序 是否满足设计要求的标准,因此要求设计者正确输入约束,以便静态时序分析工具输出正确的时序分析报告。

Xilinx 和数据接口相关的常用约束有 Period 、 OFFSET_IN_BEFORE 、 OFFSET_IN_AFTER 、 OFFSET_OUT_BEFORE 和 OFFSET_OUT_AFTER 等; Altera 与数据接口相关的常用约束有 Period 、 tsu 、 tH 、 tco 等。

转自:https://www.cnblogs.com/FPGA_DSP/archive/2010/03/13/1684843.html

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