一文详解Advanced IO wizard异步模式

1Versal IO介绍

1.1IO的划分和分布

7nm Versal系列相对于16nm Ultrascale plus系列，IO做了升级，U+系列的HPIO在Versal升级为XPIO。Versal系列每一个XPIO bank包含54个IO管脚，其中包含9个nibbles，每个nibbles包含6个IO；每个bank包含2个XPLL、1个DPLL和1个MMCM时钟资源。

1.2IO feature

XPIO支持0.6-1.5v电平，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精度约为1.22-4ps，级联后io delay最高达到1250ps；Delay值通过下图所示的XPHY接口完成更新，若需要获取delay信息，建议在变化之后4个时钟周期之后读取更新的值，避开不稳定的状态。

2与U+系列的差异

XPIO性能与U+系列select io相比有较大的提升，延迟精度，串化因子等方面都有明显的改善和提升；二者对比如下图所示：

除了IO性能的提升，其他主要的变化包括：

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

2. Versal系列不再支持hdl only 的设计方式for XPHY XPIO，因为XPHY互联接口非常复杂，因此用户需要基于advanced io wizard完成设计；

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

4. 建议通过advanced io planner自动分配io。

3异步模式的设计架构和运行机制

3.1异步模式的架构

在异步模式下没有随路时钟，需要通过CDR完成数据的恢复和采集。

整体架构如下图所示，数据经XPHY接入，在CDR模块完成phase detector，delay line tracking，将找到的delay信息配置到XPHY，当delay不断收敛，CDR模块输出RX_DATA和DATA_VALID给到下一级gearbox模块，在gearbox完成位宽转换并输出有效数据data_out/data_valid。

IP支持两种CDR模式的数据采集：CDR with ppm difference，CDR with Zero ppm；两种模式下CDR的机制没有大的差别，下文以CDR with ppm difference模式为例进行说明。

3.2异步模式下CDR架构

CDR的目的是确保UI采样始终处于异步信号数据的中心位置。UI的采样需要与数据速率相同频率的时钟完成。如SGMII数据速率为1250MBps，则RX和TX锁相环时钟频率应为1250MHz。在CDR with ppm difference情况下，系统要求本地时钟与数据速率原本的时钟ppm差不超过100ppm。

CDR主要包含以下四大模块：

Phase detector

Delay line tracking

Overflow underflow filter

Datapath

1 Phase detector

Phase detector拥有master delay line和slave delayline两套延迟线检测机制，两套机制同时工作，互为补充，将最大程度保证CDR能成功锁定。

主延迟线和从延迟线对于每个UI，分别取两个样本，送入alexander pangpang鉴相电路，根据获取的数据信息，选择增加或减少延迟。

当差分时钟的p端和n端上升沿采到同一个UI sample，next step增加延时；当p端和n端上升沿采到不同UI sample，next step减少延时。

2 delay line tracking

延迟值在phase dectector模块中不断变化，定期更新到delay line tracking模块中；在delay line tracking模块中，我们会不断跟踪延迟线的变化情况。

经过不断的统计和分析，一旦我们认为从PHY接收到D样本位于UI的中心则当前的延迟线和bitslice被锁定，若一直没有达到UI的中心位置，将会一直调整delay line直到达到边界。到达边界，就会产生overflow和underflow信号。

因此，overflow和underflow在调试中，具有很强的指导意义，我们可以通过overflow和underflow信号，判断CDR是否达到锁定状态。

3 underflow overlow filter

该模块负责正确选择数据并提供给输出。一旦两个延迟线都被锁定，它们自然相隔½个UI，当锁定发生，延迟较少的延迟线，将成为active bitslice，数据将从该延迟线输出，另外一条延迟线将成为备选的monitor bitslice。

当active bitslice发生overflow或underflow时，会自动切换到monitor bitslice获取有效数据，而此时，如果monitor bitslice也发生overflow或underflow，两套机制都无法锁定的情况下，CDR会真正失锁，系统将无法采集到正确的数据。

4 Custom CDR模式

在异步模式下，如果IP自带的CDR无法满足使用需求，客户也可以考虑使能custom CDR，参考example design去完成自定义的CDR，取得更大的灵活性；在custom CDR模式下，我们完整开放XPHY的延迟配置接口，客户可以根据自己的需求灵活设计自定义的CDR模块。

4advanced io planner

为了更合理的利用XPHY的资源，AMD建议通过advanced io planner来规划IO分配，工具是基于集中式硬件规则尽可能的优化安排的。

工程经过综合之后，点击红色框位置，激活advaned I/O Planner

用户可以选择自动分配，也可以手动进行调整，在IO instances下面工具已经完成自动分配

若需要手动调整，在nibble group菜单下面，手动选择你需要放置的nibble

5调试要点

IP调试过程中的几点经验总结如下：

1. advanced io wizard IP无法输出有效数据，data valid不能正常拉高：请检查本地时钟与源端时钟的ppm差，不能大于100ppm；

2. 当采集到的数据出现错误或者位移，可以使能enable debug port，观察是否有出现overflow和underflow的情况，是否存在master delay line和slave delay line切换或者失去锁定的痕迹，帮助确认CDR的锁定状态。

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