输入/输出延迟单元（ IODELAY）简介

输入 / 输出延迟单元（ IODELAY ）简介
每个 I/O 模块包含一个可编程绝对延迟单元，称为 IODELAY 。 IODELAY 可以连接到
ILOGIC/ISERDES 或 OLOGIC/OSERDES 模块，也可同时连接到这两个模块。 IODELAY 是
具有 64 个 tap 的环绕延迟单元，具有标定的 tap 分辨率（见附图 1 ）。 IODELAY 可用于组
合输入通路、寄存输入通路、组合输出通路或寄存输出通路，还可以在内部资源中直接使用。
IODELAY 允许各输入信号有独立的延迟。通过在《 Virtex-5 数据手册》中规定的范围内选
择 IDELAYCTRL 参考时钟，可以改变 tap 延迟分辨率。 IODELAY 资源可用作 IDELAY 、
ODELAY 或组合延迟。
1 、当用作 IDELAY 时，数据从 IBUF 或内部资源输入，然后输出到 ILOGIC/ISERDES 。
有三种可用操作模式：
• 零保持时间延迟模式（ IDELAY_TYPE = DEFAULT ）
这种操作模式允许向后兼容，以使用 Virtex-II 、 Virtex-II Pro 和 Virtex-4 器件中的零保
持时间延迟功能的设计。当在没有 DCM 的情况下使用全局时钟采集数据（引脚到引脚参数）
时，用这种延迟单元提供“非正保持时间”。在这种模式下使用时，不需要例化 IDELAYCTRL
基元。有关更多详情，请见“ IDELAYCTRL 用法及设计指导原则”。
• 固定延迟模式（ IDELAY_TYPE = FIXED ）
在固定延迟模式下，配置时将延迟值预设置成由属性 IDELAY_VALUE 确定的 tap 数。
此值配置后不可更改。在这种模式下使用时，必须例化 IDELAYCTRL 基元。有关更多详情，
请见“ IDELAYCTRL 用法及设计指导原则”。
• 可变延迟模式（ IDELAY_TYPE = VARIABLE ）
在可变延迟模式下，可以在配置后通过操控控制信号 CE 和 INC 来改变延迟值。在这
种模式下使用时，必须例化 IDELAYCTRL 基元。有关更多详情，请见“ IDELAYCTRL
用法及设计指导原则”。
2 、当用作 ODELAY 时，数据从 OLOGIC/OSERDES 输入，然后输出到 OBUF 。有一种
可用操作模式：
• 固定延迟输出模式
在固定延迟输出模式下，配置时将延迟值预设置成由属性 ODELAY_VALUE 确定的 tap
数。此值配置后不可更改。在这种模式下使用时，必须例化 IDELAYCTRL 基元。有关更多
详情，请见“ IDELAYCTRL 用法及设计指导原则”。
3 、当用作双向延迟时，将 IOB 配置成双向模式。 IODELAY 交替延迟输入通路和输出
通路上的数据。有两种可用操作模式：
• 固定 IDELAY （ IDELAY_TYPE = FIXED ）和固定 ODELAY 模式
在这种模式下， IDELAY 和 ODELAY 的值都是在配置时预设置，分别由
IDELAY_VALUE 和 ODELAY_VALUE 属性确定。此值配置后不可更改。在这种模式下使
用时，必须例化 IDELAYCTRL 基元。有关更多详情，请见“ IDELAYCTRL 用法及设
计指导原则”。
• 可变 IDELAY （ IDELAY_TYPE = VARIABLE ）和固定 ODELAY 模式
在这种模式下，只有 IDELAY 值可以在配置后通过操控控制信号 CE 和 INC 来动态更
改。 IODELAY 基元中 T 引脚的逻辑级别动态确定模块是 IDELAY 模式还是 ODELAY 模式。
在这种模式下使用时，必须例化 IDELAYCTRL 基元。有关更多详情，请见“ IDELAYCTRL
用法及设计指导原则”。
表 1-1 列出了 IODELAY 支持的配置。
表 1-1 ： IODELAY 支持的配置
IODELAY 基元
图 1-1 所示为 IODELAY 基元。
图 1-1 ： IODELAY 基元
表 1-2 列出了 IODELAY 基元中的可用端口。所有端口均为 1 位宽。
表 1-2 ： IODELAY 基元端口
IODELAY 端口
来自 IOB 的数据输入 -IDATAIN
IDATAIN 输入由相应的 IOB 驱动。在 IDELAY 模式下，可以将数据驱动到
ILOGIC/ISERDES 模块或直接驱动到 FPGA 内部资源中，也可以通过 DATAOUT 端口
按照由 IDELAY_VALUE 设置的延迟将数据同时驱动到这二者。
来自 FPGA 内部资源的数据输入 -ODATAIN
ODATAIN 输入由 OLOGIC/OSERDES 驱动。在 ODELAY 模式下， ODATAIN 按照由
ODELAY_VALUE 设置的延迟驱动连接到 IOB 的 DATAOUT 端口。
来自 FPGA 内部资源的 IODELAY 的数据输入 -DATAIN
DATAIN 输入直接由 FPGA 内部资源驱动，以提供一条可访问内部资源逻辑的延迟线。
数据按照由 IDELAY_VALUE 设置的延迟通过 DATAOUT 端口返回到内部资源中。
DATAIN 可以在芯片内反转。数据不能驱动到 IOB 。
数据输出 -DATAOUT
来自三个数据输入端口的延迟数据。 DATAOUT 连接到内部资源（ IDELAY 模式）或
IOB （ ODELAY 模式），或同时连接到这二者（双向延迟模式）。如果在双向延迟模
式下使用，则 T 端口在 IDATAIN 和 ODATAIN 通路之间动态切换，根据来自 OLOGIC
模块的三态信号 T 所指示的方向交替提供输入 / 输入延迟。
三态输入 -T
这是三态输入控制端口。对于双向操作， T 引脚信号还控制 OBUFT 的 T 引脚。
时钟输入 -C
对 IODELAY 基元的所有控制输入（ RST 、 CE 和 INC ）均与时钟输入（ C ）同步。当 I
ODELAY 配置成可变模式时，必须将一个时钟连接到此端口。 C 可以在芯片内反转。
模块复位 -RST
IODELAY 复位信号 RST 将延迟单元复位到由 IDELAY_VALUE 或 ODELAY_VALUE
属性设置的值。如果未指定这些属性，则假定该值为零。 RST 信号是高有效复位，与
输入时钟信号（ C ）同步。
表 1-3 概述了控制引脚的功能。
表 1-3 ：控制引脚描述
递增 / 递减信号 – CE 、 INC
递增 / 递减由使能信号（ CE ）控制。当 IDELAY_TYPE = VARIABLE 时，此接口只可用
于 IDELAY 模式。
只要 CE 保持为 High ， IDELAY 就会每时钟（ C ）周期按 IDELAYRESOLUTION 递增
或递减。 INC 的状态确定 IDELAY 是递增还是递减： INC = 1 为递增， INC = 0 为递减，与
时钟（ C ）同步。如果 CE 为 Low ，则通过 IDELAY 的延迟不变，与 INC 的状态无关。
当 CE 转为 High 时，在下一个时钟上升沿上开始递增 / 递减操作。当 CE 转为 Low 时，
在下一个时钟上升沿上停止递增 / 递减操作。
IODELAY 是环绕可编程延迟单元。当达到延迟单元的末尾（ tap 63 ）时，随后的递增
功能就会返回到 tap0 。同样的规则也适用于递减功能，即低于零的递减会转到 tap 63 。表 1-4
概述了递增 / 递减操作。
表 1-4 ：递增 / 递减操作
IODELAY 属性
表 1-5 列出了 IODELAY 的属性。
表 1-5 ： IODELAY 属性概述
IDELAY_TYPE 属性
IDELAY_TYPE 属性设置所用延迟的类型。此属性的值是 DEFAULT 、 FIXED 和
VARIABLE 。当设置成 DEFAULT 时，选择零保持时间延迟单元。当在没有 DCM 的情况下
使用全局时钟采集数据（引脚到引脚参数）时，用这种延迟单元提供非正保持时间。
当设置成 FIXED 时， tap 延迟值固定为由 IDELAY_VALUE 属性设置确定的 tap 数。此
值是预设置的，配置后不可更改。
当设置成 VARIABLE 时，选择可变 tap 延迟单元。 Tap 延迟可以通过设置 CE = 1 和 INC
=1 递增，或通过设置 CE = 1 和 INC = 0 递减。递增 / 递减操作与输入时钟信号 C 同步。
IDELAY_VALUE 属性
IDELAY_VALUE 属性指定初始 tap 延迟数。可能的值是 0 到 63 之间的任意整数。默
认值是零。当 tap 延迟复位时， tap 延迟值恢复到 IDELAY_VALUE 。在可变模式下，此属
性确定延迟线的初始设置。
ODELAY_VALUE 属性
ODELAY_VALUE 指定 tap 延迟数。可能的值是 0 到 63 之间的任意整数。默认值是零。
当 tap 延迟复位时， tap 延迟值恢复到 ODELAY_VALUE 。
HIGH_PERFORMANCE_MODE 属性
当设置为 TRUE 时，此属性减少输出抖动。输出抖动减少导致 IODELAY 单元的功率
耗散略有上升。
SIGNAL_PATTERN 属性
SIGNAL_PATTERN 属性致使时序分析器计入数据或时钟通路中的相应延迟链抖动量。
IODELAY 时序
表 1-6 为 IODELAY 开关特性。
表 1-6 ： IODELAY 开关特性
图 1-2 所示为 IDELAY 时序图。假设 IDELAY_VALUE = 0 。
图 1-2 ： IDELAY 时序图
时钟事件 1
在 C 的上升沿上检测到复位，致使输出 O 选择 tap 0 为 64 tap 链的输出（假设
IDELAY_VALUE = 0 ）。
时钟事件 2
在 C 的上升沿上检测到 CE 和 INC 的脉冲。这说明是递增操作。输出从 tap 0 到 tap 1
无毛刺变化。请见“递增 / 递减操作后的稳定性”。
时钟事件 3
至此，输出已经稳定在 tap 1 ，因而完成了递增操作。输出无限期地保持在 tap 1 ，直到
RST 、 CE 或 INC 引脚上有进一步活动。
递增 / 递减操作后的稳定性
图 1-2 显示了输出从一个 tap 向另一个变化时的不稳定时段。显然，当 tap 0 处的数据值
与 tap 1 处的数据值不同时，输出必须改变状态。然而，如果 tap 0 和 tap 1 处的数据值相同
（例如两者都是 0 或 1 ），则从 tap 0 到 tap 1 的过渡就不会在输出上造成毛刺或混乱。这一
概念可以通过设想 IODELAY 的 tap 链中的接收器数据信号来理解。如果 tap 0 和 tap1 都靠
近接收器数据眼的中心，则在 tap 0 处采样的数据应与在 tap 1 处采样的数据没有区别。在这
种情况下，从 tap 0 到 tap 1 的过渡不会引起输出变化。为了确保这种情况， IODELAY 的递
增 / 递减操作设计成了无毛刺操作。
在活动用户数据通过 IODELAY 单元时，用户可以实时动态调整 IODELAY 的 tap 设置，
不会扰乱活动用户数据。
当在时钟信号通路中使用 IODELAY 单元时，也适用无毛刺行为。调整 tap 设置不会在
输出上引起毛刺或混乱。可以调整时钟通路中 IODELAY 单元的 tap 设置，不会扰乱可能正
在该时钟上运行的状态机。
IDELAYCTRL 概述
如果用设置为 FIXED 或 VARIABLE 的 IOBDELAY_TYPE 属性例化 IODELAY 或
ISERDES 基元，则必须在代码中例化 IDELAYCTRL 模块。 IDELAYCTRL 模块在其区域内
连续标定各延迟单元（ IODELAY ）（见图 1-5 ），以减少随工艺、电压和温度变化的影响。
IDELAYCTRL 模块使用用户提供的 REFCLK 标定 IODELAY 。
IDELAYCTRL 基元
图 1-3 所示为 IDELAYCTRL 基元。
图 1-3 ： IDELYACTRL 基元
IDELAYCTRL 端口
RST- 复位
复位输入引脚（ RST ）是 High 有效异步复位。 IDELAYCTRL 在配置（以及 REFCLK
信号稳定）之后必须复位，以确保 IODELAY 操作正常。要求复位脉冲宽度为
TIDELAYCTRL_RPW （详见附图 1 ）。 IDELAYCTRL 在配置后必须复位。
REFCLK- 参考时钟
参考时钟（ REFCLK ）提供对 IDELAYCTRL 的时间参考，以标定同区域中的所有
IODELAY 模块。此时钟必须由全局时钟缓冲器（ BUFGCTRL ）驱动。 REFCLK 必须是
FIDELAYCTRL_REF ± 指定的 ppm 容差（ IDELAYCTRL_REF_PRECISION ），以保证指定
的 IODELAY 分辨率 (TIDELAYRESOLUTION) 。 REFCLK 可以由用户提供的信号源、 PLL
或 DCM 直接提供，必须在全局时钟缓冲器上传输。
RDY- 就绪
就绪（ RDY ）信号指示特定区域内的 IODELAY 模块标定完毕。如果 REFCLK 在一个
或几个时钟周期内保持为 High 或 Low ，则 RDY 信号置为无效。如果 RDY 置为 Low 无效，
则 IDELAYCTRL 模块必须复位。实现工具允许不连接 / 忽略 RDY 。图 1-4 所示为 RDY 与
RST 之间的时序关系。
IDELAYCTRL 时序
表 1-7 所示为 IDELAYCTRL 开关特性。
表 1-7 ： IDELAYCTRL 开关特性
如下图 1-4 所示， Virtex-5 RST 是边沿触发信号。
图 1-4 ： RDY 与 RST 之间的时序关系
IDELAYCTRL 位置
每个时钟区域的每个 I/O 列中都有 IDELAYCTRL 模块。一个 IDELAYCTRL 模块标定
其时钟区域内的所有 IDELAY 模块。图 1-5 所示为各 IDELAYCTRL 模块的相对位置。
图 1-5 ：各 IDELAYCTRL 模块相对位置
IDELAYCTRL 用法及设计指导原则
本部分讲述 Virtex-5 IDELAYCTRL 模块的使用、设计指导原则和推荐用法。
例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL
当例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL 时，用户在 HDL 设计代码中必须只例化一个
IDELAYCTRL 实例。实现工具将 IDELAYCTRL 实例自动复制到整个器件，甚至复制到未
使用延迟单元的时钟区域中。这样做资源占用率较高，在每个时钟区域内都要使用一个全局
时钟资源，并且使用布线资源较多，因此功耗较大。（注：在简单工程中对 IDELAYCTRL
基元是否制定 LOC 约束，通过用 XPOWER 工具对功耗进行估算对比发现，是否制定 LOC
对功耗影响不大或者几乎无影响，但在大规模工程中，会由于 LOC 约束的指定带来功耗的
额外增加）已例化 IDELAYCTRL 实例的 RST 和 REFCLK 输入端口和所复制 IDELAYCTRL
实例的对应输入端口相连接。
有两个特例：
1 、当忽略 RDY 端口时，所有被复制的 IDELAYCTRL 实例的 RDY 信号均不连接。
对于例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL 基元并且不连接 RDY 输出端口的情况，《库指南》
中提供了 VHDL 和 Verilog 使用模型。
图 1-6 所示为例化 IDELAYCTRL 组件后形成的电路。
图 1-6 ：例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL- 不连接 RDY
2 、当连接 RDY 端口时，例化一个宽度等于时钟区域数的与门，并且将例化和复制的
IDELAYCTRL 实例的 RDY 输出端口连接到与门的输入。工具将连接到已例化
IDELAYCTRL 实例的 RDY 端口的信号名称赋予与门的输出。
对于例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL 基元并且连接 RDY 端口的情况，《库指南》中
提供了 VHDL 和 Verilog 使用模型。图 1-7 所示为例化 IDELAYCTRL 组件后形成的电路。
图 1-7 ：例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL- 连接 RDY
例化有位置（ LOC ）约束的 IDELAYCTRL
使用 IDELAYCTRL 模块的最有效方法是定义并锁定设计中所用每个 IDELAYCTRL 实
例的位置。具体做法是例化有位置（ LOC ）约束的 IDELAYCTRL 实例。用户必须在用延迟
单元时定义并锁定所有 ISERDES 和 IDELAY 组件的位置。（ IOBDELAY_TYPE 属性设置
为 FIXED 或 VARIABLE 。）完成后，可以选择 IDELAYCTRL 的位置并指定 LOC 约束。
Xilinx 强烈建议使用有 LOC 约束的 IDELAYCTRL 。
（注：如图 1-5 所示，一个 IDELAYCTRL 基元可同时覆盖一个 clock region ，而一个 clock
region 包含不止一个 IOB ，在约束 IDELAYCTRL 基元 LOC 时，需要仔细定位该 IOB 属于
哪个 LOC 的 IDELAYCTRL 。）
位置约束
每个 IDELAYCTRL 模块都有 XY 位置坐标（ X ：行， Y ：列）。为了约束位置，
IDELAYCTRL 实例可以附带 LOC 属性。 IDELAYCTRL 位置坐标的命名规则与用来命名
CLB 位置的规则不同。这样做便于在各阵列之间传递 LOC 属性。
为 IDELAYCTRL 实例附加 LOC 属性有两种方法。
1 、在 UCF 文件中插入 LOC 约束
2 、在 HDL 设计文件中直接嵌入 LOC 约束
在 UCF 文件中插入 LOC 约束
下列语法用于在 UCF 文件中插入 LOC 约束。
INST “ instance_name ” LOC=IDELAYCTRL_X#Y# ；
在 HDL 设计文件中直接嵌入 LOC 约束
下列语法用于在 HDL 设计文件中嵌入 LOC 约束。
// synthesis attribute loc of instance_name is "IDELAYCTRL_X#Y#";
在 VHDL 代码中，用 VHDL 属性描述 LOC 约束。约束必须用下列语法声明后才能使
用：
attribute loc : string ；
声明之后， LOC 约束可以指定为：
attribute loc of instance_name:label is "IDELAYCTRL_X#Y0#";
《库指南》包括用于例化有 LOC 约束的 IDELAYCTRL 基元的 VHDL 和 Verilog 使用模型
模板。
图 1-8 所示为例化 IDELAYCTRL 组件后形成的电路。
图 1-8 ：例化有 LOC 约束的 IDELAYCTRL
例化有 LOC 约束和无 LOC 约束的 IDELAYCTRL
在有些情况下，用户例化有 LOC 约束的 IDELAYCTRL 模块，但还例化无 LOC 约束的
IDELAYCTRL 模块。如果用无位置约束的 IDELAYCTRL 模块例化 IP 核，但还需要为设计
的另一部分例化无 LOC 约束的 IDELAYCTRL 模块，则实现工具会执行以下各项：
• 按“例化有位置（ LOC ）约束的 IDELAYCTRL ”部分所述例化 LOC IDELAYCTRL
实例。
• 复制无位置约束的 IDELAYCTRL 实例，以便用一个 IDELAYCTRL 实例填充每个不
具备有位置约束 IDELAYCTRL 实例的时钟区域。
• 将无位置约束 IDELAYCTRL 实例的 RST 和 REFCLK 输入端口和所复制
IDELAYCTRL 实例的对应输入端口相连接。
• 如果忽略无位置约束 IDELAYCTRL 实例的 RDY 端口，则同时忽略所复制
IDELAYCTRL 实例的所有 RDY 信号。
• 如果连接无位置约束 IDELAYCTRL 实例的 RDY 端口，则将无位置约束实例的 RDY
端口和所复制实例的 RDY 端口连接到一个自动生成的与门。实现工具将连接到无位置约束
实例的 RDY 端口的信号之名称赋予与门的输出。
• 有位置约束实例的所有端口（ RST 、 REFCLK 和 RDY ）均相互独立并且独立于复制
的实例。
图 1-9 所示为例化 IDELAYCTRL 件后形成的电路。
图 1-9 ： IDELAYCTRL 单元的混合例化例化
例化多个无 LOC 约束的 IDELAYCTRL
禁止例化多个无 LOC 属性的 IDELAYCTRL 。如果发生这种情况，实现工具就会报错。
（注：若在一个工程中同时例化多个不同 DELAY_SRC 属性，且无 LOC 约束的 IODELAY
时，只需例化一个 IDELAYCTRL 模块，否则 map 会报错。举例在同一个工程中需要例化一
个固定 IDELAY_VALUE 的 IODELAY_INST0 的 DELAY_SRC 属性设置为“ I ”，表示其输
入为 IDATAIN ，而同时需要例化另外一个固定 ODELAY_VALUE 的 IODELAY_INST1 的
DELAY_SRC 属性设置为“ O ”，其输入为 ODATAIN ，但是 IODELAY_INST0 和
IODELAY_INST1 使用时均无 LOC 约束，在例化 IDELAYCTRL 基元时，只需例化一个
IDELAYCTRL 基元，无需因为例化两个不同属性的 IODELAY 基元而分别例化两个
IDELAYCTRL 基元，否则 map 会报错。）
参考文献：
【 1 】： ug190-Virtex-5 用户指南
【 2 】： ds202- Virtex-5 Data Sheet: DC and Switching Characteristics
【 3 】： v5ldl-Virtex-5 Libraries Guide for HDL Designs
附图 1 ： tap 延迟精度及相关时序参数
Verilog Instantiation Template
// IODELAY: Input and Output Fixed/variable Delay Element
// Virtex-5
// Xilinx HDL Libraries Guide, version 9.1i
IODELAY # (
.DELAY_SRC ( "I" ), // Specify which input port to be used
// "I"=IDATAIN, "O"=ODATAIN, "DATAIN"=DATAIN
.IDELAY_TYPE ( "DEFAULT" ), // "DEFAULT", "FIXED" or "VARIABLE"
.IDELAY_VALUE ( 0 ), // 0 to 63 tap values
.ODELAY_VALUE ( 0 ), // 0 to 63 tap values
.REFCLK_FREQUENCY ( 200.0 ) // Frequency used for IDELAYCTRL
// 175.0 to 225.0
) IODELAY_INST (
.DATAOUT ( DATAOUT ), // 1-bit delayed data output
.C ( C ), // 1-bit clock input
.CE ( CE ), // 1-bit clock enable input
.DATAIN ( DATAIN ), // 1-bit internal data input
.IDATAIN ( IDATAIN ), // 1-bit input data input (connect to port)
.INC ( INC ), // 1-bit increment/decrement input
.ODATAIN ( ODATAIN ), // 1-bit output data input
.RST ( RST ), // 1-bit active high, synch reset input
.T ( T ) // 1-bit 3-state control input
);
// End of IODELAY_inst instantiation
工程实例：
IODELAY #(
.DELAY_SRC ( "O" ), //IODELAY 源是 ODATAIN
.IDELAY_TYPE ( "FIXED" ), // 静态延迟
.ODELAY_VALUE ( 16 ), // 固定延迟数为 16 个 tap
.REFCLK_FREQUENCY ( 200.0 ) //IDELAYCTRL 参考时钟频率： 200MHz
)IODELAY_INST (
.C ( 1'b0 ), // 可变模式下使用的时钟输入
.CE ( 1'b0 ), // 是否启动递增 / 递减功能
.DATAIN ( 1'b0 ), //
.IDATAIN ( 1'b0 ), //
.INC ( 1'b0 ), //tap 延迟的递增 / 递减选择
.ODATAIN ( qLED ), // 来自 OLOGIC/OSERDES 的信号
.RST ( 1'b0 ), // 将延迟单元次坏皆ど瓒 ǖ 闹，若没有预设定值则复位到 0
.T ( 1'b0 ), // 用作 ODELAY
.DATAOUT ( qLED_cld )
);
IDELAYCTRL IDELAYCTRL_inst (
.RDY ( RDY ), // 1-bit ready output
.REFCLK ( System_Clk ), // 1-bit reference clock input
.RST ( 1'b0 ) // 1-bit reset input
);
#INST "IDELAYCTRL_inst" LOC = IDELAYCTRL_X1Y2; (ucf 文件添加 )
OBUF obuf_qLED (
.I ( qLED_cld ),
.O ( qLED )
);

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