『FPGA通信接口』LVDS接口(4)LVDS接收端设计

1.LVDS接收端概述

接收端的传输模型各个属性应该与LVDS发送端各属性一致，例如，如果用于接收CMOS图像传感器的图像数据，则接收端程序的串化因子、通道个数等将要与设备一致。在硬件设计上，LVDS时钟线和LVDS数据线应该等长设计，但由于布线制板工艺的影响，难免数据线和时钟线无法同时到达接收端，在传输速度快时，微乎其微的偏差都可能让数据出错，这就是LVDS接收端要解决的问题，即在数据稳定窗口的中心采样，保持数据的稳定，这个动作称之为位对齐。此外，当在数据线上重复发送ABCDEFGH（假设一个字母代表一个bit），有可能接收到的是BCDEFGHA产生字偏移，通过ISERDES2的bitslip可以完成数据的平移，这个动作称之为“字对齐”。接收端通过IBUFDS进行差分转单端信号便于逻辑处理，将lvds传输线上的串行数据经过IDELAY2进行位对齐操作，随后利用ISERDES2将该串行数据并行化即字对齐操作，将发送端的数据恢复。其难点就在于如何实现字对齐和位对齐操作。Xilinx提供了多个例程适用于不同系列的FPGA，如xapp860和xapp855适于V5，xapp585适用于7系列，还有适用于ultrascale的例程。本例程基于xapp855修改使之适配7系列并满足既定传输模型属性要求。

2逻辑框图

以下框图截取自xapp855，与示例程序并不一致。数据差分信号经IBUFDS转化为单端信号，进入IDELAY2（由于xapp855适用于V5，而当前程序适用于7系列，因此原语的名称有所不同）将数据位对齐后进入ISEDERS2转换成并行数据；时钟差分信号经过IBUFDS转化成单端信号，进入IDELAY2（此处为0，以时钟到达为基准）由BUFR倍频出并行时钟，经BUFIO产生串行时钟。此外，使用IDELAY必须要使用IDELAYCTRL，输入200MHz作为参考时钟。还有两个逻辑模块一个是Bit Align Machine实现位对齐字对齐，产生ISERDES2和IDELAY2所需的信号，完成当前LVDS传输线的对齐操作。Resource sharing control实现通道切换，和训练完成的指示。

3.xapp855训练代码解读

通道选择模块较为简单，主要介绍Bit Align Machine模块是如何完成单通道的数据训练操作。将ISERDES2模块传入的并行数据A打一拍得到B，当A不等于B的时候，认为此时遇到了亚稳态，即建立时间或者保持时间不满足要求的情况。当连续几个周期B等于pattern数据时，认为此时的采样点可用，字对齐也完成。完成数据训练的主要思路是，先使用IDEALY延迟直到找见一个亚稳态的点，未找见就延迟加1，然后继续增加延迟并加入字节对齐的判断直到找到Pattern数据，认为此时找到了数据窗口的左值，继续增加延时值，直到找见下一个亚稳态的采样点。从第一个pattern数据出现，增加延时值到下一个亚稳态的出现之间就是数据有效窗口，然后通过减去延迟值找到采样中心点，此后再次判断字对齐的情况，当字对齐结束后认为此LVDS传输线数据训练完成。由Resource sharing control控制开始训练下一个LVDS传输线。

以上截图出自xapp855的解释说明，步骤①即是假定数据和时钟到达时二者的相对位置关系。步骤②是经过延时找到了第一个亚稳态窗口（Transition），图中斜线部分代表此时数据采样不稳定。步骤③是通过延时和bitslip寻找到数据有效窗口的左值（Eye）。步骤④是通过延时找到下一个亚稳态窗口，由此在③和④之间便是数据有效的窗口。步骤⑤是将采样点控制到数据有效窗口的中心位置。需要注意，IDELAY2总共只有32个阶，当参考时钟是200MHz时，每一阶延时78ps，即总共可延时32*78=2496ps=2.5ns。因此数据传输的线速率不能太低，线速率太低时需要采用别的方法或者调整该状态机，否则会错误的找到最佳采样点，出现不稳定的情况，因此使用该程序，其线数据传输速率建议大于400Mbps。
下面对该模块中状态机简单分析便于理解。

1. 00000不动（指各计数模块，idelay、bitslip均不做操作，后同），保证不与通道切换指令冲突。
2. 00001不动 比较前一个后一个，不相等认为找见第一个亚稳态窗口。
3. 01000 SAMPLE（指代码中信号含SAMPLE的128bit计数器，后同）计数器加1，连续抓15次判断是否为亚稳态窗口。
4. 01011 IDELAY延时加1，两个计数器清0。
5. 00100 SAMPLE控制7个周期后判断是否亚稳态，如此循环直到找到亚稳态窗口，即进入01111状态。（上述五个步骤必定能找见亚稳态窗口）
6. 01111 SAMPLE清0 IDEALAY加1 准备寻找pattern。
7. 01101 SAMPLE加1 JC添加8周期等待 找等于check pattern 找见就准备记录 重复上述步骤，直到找见稳态check pattern即渡过第一个窗口 bitslip=1。
8. 01100 SAMPLE清0 （进入IDLE状态）。
9. 10000 第二个idle 不动作。
10. 00010再次确认是否退出了窗口 如果没有退出，重复上述步骤直到退出。
11. 01110 确认跳出第一个亚稳态窗口，该状态CNT开始计数，找左值。
12. 01001 idelay值加1 CNT开始计数(记录的是数据有效窗口的大小，CNT指代码中不含SAMPLE的128计数器) 找下一个亚稳态区域。
13. 00011 SAMPLE计数控制8周期后比较数据，复制当前的CNT中的计数值，找见第二个就退出，找不见就重复上面步骤。
14. 10010 计数器全部清0 无动作跳转。
15. 01010 idelay减一减到有效采样的中间处即可，清0CNT。思考，假如taps的值不够用怎么办（即前文提到线数据速率不能太慢，否则会出现这种情况）。
16. 00101 CNT控制延时，再次确认是否word对齐，默认当前已经到了采样中心点 word对齐则进入成功完成数据训练状态，word没有对齐就再次进入word对齐状态
17. 00110 bitslip一次
18. 00111 指示当前通道训练完成，准备切换到下一个通道，重复上述步骤进行训练

注意： 将该程序移植到7系列的板卡时需要注意，7系列的原语ISERDES2与V5不同，bitslip信号不能一直给，一旦一直给将无法穷举所有的可能值，在bitslip使能之后要拉低两个周期继续使能，否则这个系统的状态机可能出错。

4.接收端发送端联调

将发送端和接收端写在一个工程里，验证LVDS的收发，其结果如下,可以看到发送端发送的数据与接收的数据一致，data_aglin信号拉高，代表数据训练完成。

总结：
①本文只是提供了众多实现lvds收发方法中的一种，例如，可以使用ODDR原语产生差分信号；IDELAY有四种模式，本文使用VARIABLE模式，还可以尝试VAR_LOAD模式；xilinx提供了一个名为SelectIO Interface Wizard的ip核其中涵盖了LVDS收发使用的全部selectio资源，在领悟本例精神后可以用其练手。
②寻找数据中心的方式也是可以灵活多变的。
③xapp855的代码结构以及代码风格可以提供一种新的思考，包括通道与训练的管理，计数器的服用，以及状态指示训练完成的写法都值得学习和总结。
④Xapp585提供了基于7系列的原语设计，便于工程的移植和扩展，另外其位对齐和字对齐分开实现，是数据训练的另外一种思路。
⑤关于文中提到的原语的使用可返回目录查看对应文章。
⑥7系列的iserdes2原语要求bitslip后三个周期才能下一次bitslip，因此在LVDS收发程序中加入了这里的控制。

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