在Vivado中創(chuàng)建基于IP集成器(IP Integrator)的設(shè)計(jì)

本文作者：賽靈思工程師 Shengjie Li

Zynq UltraScale+ RFSoC 是業(yè)界首款單芯片自適應(yīng)無(wú)線電平臺(tái)，在一款芯片內(nèi)集成射頻直采數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、單芯片軟決策前向糾錯(cuò)核(SD-FEC)、FPGA邏輯、完整的ARM處理器子系統(tǒng)和高速收發(fā)器等。

第三代RFSoC器件與前幾代產(chǎn)品相比，射頻輸入輸出頻率響應(yīng)已擴(kuò)展至全面支持6GHz以下頻段，可幫助用戶開(kāi)發(fā)尖端RF設(shè)計(jì)，例如大規(guī)模MIMO無(wú)線電、5G基帶、固定無(wú)線接入、測(cè)試測(cè)量與相控陣?yán)走_(dá)等等。第三代器件14bit分辨率ADC最大采樣速率增加到5.0GSPS，14bit分辨率DAC最大采樣速率增加到10.0GSPS。用戶可以參考XMP105詳細(xì)了解Zynq RFSoC系列產(chǎn)品具體參數(shù)及選型指南。

本次將分上下篇介紹基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU216評(píng)估套件的詳細(xì)內(nèi)容：

1. 第三代RFSoC 器件時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)特性。

2. ZCU216時(shí)鐘結(jié)構(gòu)及可行的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案。

3. 在Vivado中創(chuàng)建基于IP集成器(IP Integrator)的設(shè)計(jì)。

4. 在Vitis中創(chuàng)建基于ARM的BareMetal程序設(shè)計(jì)。

5. 代碼簡(jiǎn)要分析。

6. 硬件環(huán)境及測(cè)試結(jié)果。

本文用于示例的軟件工具、驅(qū)動(dòng)版本、硬件版本及文檔版本如下：

1. ZCU216 Rev-A02(Engineer Sample)

2. CLK104

3. Vivado 2021.2 + Vitis 2021.2

4. PG269 V2.6 October 27, 2021

5. Software Driver: rfdc v11.0

1. 第三代RFSoC 器件時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)特性：

RFSoC在芯片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，第三代RFSoC系列器件均包含4個(gè)ADC Tile和4個(gè)DAC Tile，每個(gè)ADC和DAC Tile內(nèi)可能包含1個(gè)(ZU43DR)或2個(gè)(ZU47DR/48DR)或者4個(gè)(ZU49DR)Channel，這取決于芯片型號(hào)。以ZCU216開(kāi)發(fā)板上的芯片為例，ZU49DR的每個(gè)ADC Tile內(nèi)包含4路ADC，每個(gè)DAC Tile內(nèi)包含4路DAC。

每個(gè)Tile都可以獨(dú)立配置，工作在不同的采樣時(shí)鐘頻率上，采樣時(shí)鐘可以來(lái)自于外部高頻時(shí)鐘輸入，可以來(lái)自于每個(gè)Tile內(nèi)部PLL倍頻后的時(shí)鐘，也可以來(lái)自于其他Tile分發(fā)的參考時(shí)鐘。

第三代RFSoC器件相比之前幾代產(chǎn)品引入了時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)特性，不再需要為每個(gè)Tile都提供獨(dú)立的采樣時(shí)鐘，節(jié)省了引腳數(shù)量，降低了外圍電路的復(fù)雜度。

時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)的方式共分為兩種，一種是參考時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)，一種是采樣時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)。

所謂參考時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)，是指外部時(shí)鐘芯片提供低噪聲低頻時(shí)鐘到一個(gè)ADC/DAC Tile的專(zhuān)用時(shí)鐘管腳，該時(shí)鐘將在Tile間轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)每個(gè)Tile內(nèi)的PLL倍頻出所需的采樣時(shí)鐘；

而采樣時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)有兩種途徑，一是從外部時(shí)鐘芯片直接提供低噪聲高頻的采樣時(shí)鐘到一個(gè)ADC/DAC Tile的專(zhuān)用時(shí)鐘管腳，采樣時(shí)鐘將在Tile間分發(fā)，無(wú)需通過(guò)內(nèi)部PLL倍頻，直接提供給ADC/DAC Channel作為采樣時(shí)鐘；

時(shí)鐘芯片提供低噪聲低頻時(shí)鐘到一個(gè)ADC/DAC Tile的專(zhuān)用時(shí)鐘管腳，該時(shí)鐘在此Tile內(nèi)通過(guò)PLL倍頻到采樣頻率，隨后將此采樣時(shí)鐘在Tile間分發(fā)。

以上僅為時(shí)鐘分發(fā)方式的簡(jiǎn)化解釋?zhuān)瑫?huì)有一些使用的限制和建議，建議用戶參考PG269 Chapter 4 Clocking-On-chip Clock Distribution章節(jié)閱讀。

用戶也可以打開(kāi)Vivado，選擇器件型號(hào)后在RF Data Converter IP內(nèi)根據(jù)原理圖和目標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，如果時(shí)鐘設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，工具會(huì)給予一定的報(bào)警和提示。

值得注意的是，RF Data Converter IP內(nèi)的選項(xiàng)和上述的兩種分發(fā)方式不是完全匹配的。當(dāng)使用采樣時(shí)鐘分發(fā)方式時(shí)，在IP內(nèi)需要勾選的是Input Refclk。ADC Tile 1(Tile 225)和DAC Tile 1(Tile 229)作為采樣時(shí)鐘輸入源，其他的ADC和DAC Tile選擇Tile 1作為時(shí)鐘源。

2. ZCU216時(shí)鐘結(jié)構(gòu)及可行的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案：

本節(jié)僅覆蓋ZCU216開(kāi)發(fā)板與RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的時(shí)鐘部分，這部分時(shí)鐘均由擴(kuò)展子卡CLK104提供。

如下所示為CLK104板上的功能示意圖：

通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘芯片為DAC提供接近10GSPS的低噪聲采樣時(shí)鐘是很難實(shí)現(xiàn)的，CLK104板采用兩級(jí)PLL方案。

第一級(jí)LMK04828B是一個(gè)雙環(huán)路抖動(dòng)清除器和時(shí)鐘發(fā)生器，一級(jí)回路的參考輸入可為板上的10MHz TCXO、外部參考時(shí)鐘(比如從SMA100B輸出低噪聲時(shí)鐘)，或SFP恢復(fù)時(shí)鐘。二級(jí)回路的參考輸入為板上的160MHz VCXO，可輸出低相噪的時(shí)鐘、同步信號(hào)。其中DAC_REFCLK和ADC_REFCLK可作為ADC/DAC低頻參考時(shí)鐘輸入；PL_CLK，AMS_SYSREF和PL_SYSREF均用作MTS(Multi-Tile Synchronization)應(yīng)用，我們將在未來(lái)博客中詳細(xì)描述MTS相關(guān)應(yīng)用；

第二級(jí)LMX2594接收第一級(jí)輸出時(shí)鐘，將其倍頻到采樣頻率，直接輸出到ADC/DAC Tile。

這三顆時(shí)鐘芯片均由SPI接口控制，板上有一顆IIC to SPI橋接芯片，F(xiàn)PGA通過(guò)IIC接口對(duì)此轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制，進(jìn)而控制三顆時(shí)鐘芯片。除此以外還有一種更為簡(jiǎn)單的方式，ZCU216板上帶有一顆TI的MSP430 MCU，其IIC接口通過(guò)IIC Switch也可以連接到這幾顆時(shí)鐘IC上，用戶可以參考XTP580，使用BoardUI實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的配置。

ZCU216上的芯片型號(hào)為ZU49DR，其4個(gè)ADC Tile和4個(gè)DAC Tile都有專(zhuān)用的模擬時(shí)鐘輸入管腳，但只有兩個(gè)ADC Tile(Bank 225/226)和兩個(gè)DAC Tile(Bank 229/230)的時(shí)鐘管腳被引出。如下表所示為詳細(xì)連接關(guān)系：

本文后續(xù)將會(huì)展示以下的時(shí)鐘方案配置：

使用LMX2594輸出高頻采樣時(shí)鐘分發(fā)方式，從ADC Tile1和DAC Tile1輸入。設(shè)定ADC 采樣頻率為2000MHz，DAC采樣頻率為6400MHz。

3. 在Vivado中創(chuàng)建基于IP集成器(IP Integrator)的設(shè)計(jì)

本節(jié)需要讀者對(duì)基于Vivado的IPI設(shè)計(jì)比較熟悉，將不會(huì)對(duì)較簡(jiǎn)單的操作步驟進(jìn)行詳述。如何使用此Blog提供的TCL文件重建Vivado工程請(qǐng)參考附錄。

? 打開(kāi)Vivado 2021.2,新建工程，名為rfsoc_zcu216_clocking。

?選擇板卡ZCU216 EVB或ZCU216 ES EVB，根據(jù)板卡型號(hào)決定，二者bitstream不兼容。

? 在工程界面內(nèi)創(chuàng)建Block Design，默認(rèn)名為design_1。

?添加Zynq UltraScale+ MPSoC IP，Run Block automation，使用板卡默認(rèn)配置。

? 修改Zynq配置，PS-PL Configuration界面下將AXI HPM0/1 FPD接口關(guān)閉，勾選AXI HPM0 LPD，其他保持默認(rèn)。

? 添加Zynq UltraScale+ RF Data Converter IP。

? 修改RF Data Converter配置。

1. 切換Converter Setup為Advanced模式。

2. 使能全部ADC和DAC的每個(gè)Channel，其他所有配置大多數(shù)都是可以通過(guò)API修改的，保持默認(rèn)即可，后續(xù)將會(huì)介紹如何通過(guò)API修改。

3. 修改全部ADC的Samples per AXI4-Stream Cycle為8，DAC為16，這是為了避免AXI-Stream接口時(shí)鐘頻率超出器件頻率上限。

4.在System Clocking界面按下圖配置，如上一節(jié)所示，我們將先按ADC 2GSPS，DAC 6.4GSPS進(jìn)行配置，使用采樣時(shí)鐘分發(fā)方式。IP的輸出時(shí)鐘可以用于倍頻產(chǎn)生AXI4-Stream數(shù)據(jù)接口的時(shí)鐘，因此我們先保持和Fabric clock 頻率8分頻的關(guān)系進(jìn)行配置。

5. Advanced界面保持默認(rèn)，無(wú)需勾選。

? Run Block Automation，將RFDC IP AXI-Lite接口通過(guò)Interconnect連接到Zynq LPD接口實(shí)現(xiàn)地址映射。

? 為AXI4-Stream接口提供合適的時(shí)鐘和復(fù)位。

1. 點(diǎn)擊BD界面上方Run Block Automation。

2. 由于所有ADC/DAC采樣率是一致的，可以使用一個(gè)MMCM產(chǎn)生ADC/DAC所需的數(shù)字時(shí)鐘。在彈出界面中勾選ADC 0-3的時(shí)鐘源為ADC0，DAC0-3的時(shí)鐘源為DAC0。

3. 工具將會(huì)自動(dòng)例化兩個(gè)Clocking Wizard IP，adc0_clk_wiz使用IP輸出的31.25MHz的時(shí)鐘作為輸入，倍頻輸出200MHz時(shí)鐘供給Master接口。Dac0_clk_wiz使用IP輸出的50MHz時(shí)鐘作為輸入，倍頻輸出400MHz時(shí)鐘供給給Slave接口。

4. 修改clocking wizard復(fù)位極性為低電平有效。

5.例化兩個(gè)Processor System Reset IP，并連接peripheral_aresetn到RFDC IP的s/m_axis_aresetn管腳上。其中Slave AXI-Stream接口是DAC的數(shù)字接口，Master AXI-Stream是ADC的數(shù)字接口。

6. 例化一個(gè)AXI GPIO IP，用于控制時(shí)鐘板CLK104上的SPI SDO選通。設(shè)定為輸出，位寬為2，初始值設(shè)定為0x0。

7. 引出AXI GPIO IP，命名為spi_mux。

? 完整的Block Design大致如下：

? 在BD中右鍵Validate design，確保沒(méi)有報(bào)錯(cuò)。

? 創(chuàng)建頂層文件，右鍵BD，Create HDL Wrapper，選擇Let Vivado manage wrapper and auto-update。

? 添加管腳約束，RFDC相關(guān)管腳為專(zhuān)有管腳，IP內(nèi)包含管腳約束，用戶無(wú)需為此添加。

? 生成bitstream，檢查工程是否有時(shí)序違例。

? 導(dǎo)出工程XSA文件，F(xiàn)ile-Export-Export Hardware，勾選Include Bitstream，選擇導(dǎo)出目錄。

原文標(biāo)題：開(kāi)發(fā)者分享｜第三代Zynq RFSoC器件射頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用: 時(shí)鐘設(shè)計(jì)-上

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