在数据的传输过程中，我们经常可以碰见双沿传输数据到FPGA，或者FPGA传输双沿数据给外部芯片，最常见的例子就是DDR芯片。这里说明一下，FPGA内部处理的数据都是单沿数据，那么双沿数据的变换只能发生在FPGA的IOB上面，这里有特定的硬件结构可以实验上面单沿变双沿的方法，也就是使用原语进行一些列的操作。本次实验的主要内容如下：
以千兆网RGMII为例实现单沿变双沿、双沿变单沿的操作。经过之前博客的理解，我们可以知道RGMII的协议是双沿传输，那么我们将以此为例实现双沿4bit数据变单沿8bit数据——FPGA接收，单沿8bit数据变双沿4bit数据——FPGA发送。
IDDR与ODDR的简述
这里的表述，我们主要依靠技术手册来给大家进行讲解。
简单的框图显示如下：
其中IDDR的原语如下：
IDDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("OPPOSITE_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE", "SAME_EDGE"
// or "SAME_EDGE_PIPELINED"
.INIT_Q1 (1'b0 ), // Initial value of Q1: 1'b0 or 1'b1
.INIT_Q2 (1'b0 ), // Initial value of Q2: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) IDDR_ctrl (
.Q1 (data_en ), // 1-bit output for positive edge of clock
.Q2 (data_err ), // 1-bit output for negative edge of clock
.C (rx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D (rx_ctrl ), // 1-bit DDR data input
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);其中IDDR主要有三种工作模式，分别是：“OPPOSITE_EDGE”, “SAME_EDGE”，“SAME_EDGE_PIPELINED” 。上面每一位的介绍在原语的注释中都得到了比较详细的解释，这里不再赘述。这三种工作模式的不同其实就是时序的不同，下面分别进行介绍：
1、OPPOSITE_EDGE模式
这里主要注意，一个时钟的上升沿与下降沿数据正好可以在下一个时钟上升沿的Q1、Q2输出，这也是最常见的使用方式。我们千兆网的接收信号使用的就是该模式。
2、SAME_EDGE模式
这里特别注意，一个时钟的上升沿和下降沿的两个数据在Q1、Q2的表示分别在下一个时钟与下下一个时钟体现出来，原来的两个数据被分裂成两个时钟表示。
3、SAME_EDGE_PIPELINED模式
其中这种模式与第一种的模式是Q1、Q2是同步的，前者是异步的，这种模式数据的读取比第一种模式晚了一个节拍。当然千兆网的数据接收也可以使用该模式，以为控制端也是使用该模式进行解码。
与IDDR相对应的是ODDR。同样，ODDR的框图如下：
其中ODDR的原语如下：
ODDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("SAME_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"
.INIT (1'b0 ), // Initial value of Q: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) ODDR_ctrl (
.Q (tx_data_ctrl ), // 1-bit DDR output
.C (gb_tx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D1 (gb_tx_data_en ), // 1-bit data input (positive edge)
.D2 (gb_tx_data_err ), // 1-bit data input (negative edge)
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);同样，上面每一位的介绍在原语的注释中都得到了比较详细的解释，这里不再赘述。其中ODDR有两种不同的工作模式。我们将进行如下介绍：
1、OPPOSITE_EDGE模式
从上面我们可以看出，该模式是将两个时钟的D1、D2拼成了一个时钟的上升沿与下降沿对应的数据。我们本次千兆网的输出项目中不会使用该模式，因为D1与D2会错开一个时钟。
2、SAME_EDGE模式
从上面的时序图中我们可以看出，同一个时钟的D1、D2转换成了同一个时钟的上升沿与下降沿。我们本次项目中使用的就是这个模式。
RGMII时序简述
前面已经讲解了常见的以太网物理层协议接口，其中RGMII是双沿数据，需要使用原语进行相应单双沿变化的操作。其中，RGMII协议的具体时序图如下：
这里有几点注意整理如下：
1、TXD的0位上升沿与下降沿分别对应8位数据的0位与4位，TXD其他的位数以此相互递增。
2、RXD的0位上升沿与下降沿分别对应8位数据的0位与4位，RXD其他的位数以此相互递增。
3、TX_CLK是输入时钟，RX_CLK是输出时钟。
4、XX_CTL线上升沿对应的是数据使能位，下降沿对应的是数据错误位。
千兆网输入与输出模块的设计
gbit_top模块：
`timescale 1ns / 1ps
// *********************************************************************************
// Project Name : OSXXXX
// Author : zhangningning
// Email : nnzhang1996@foxmail.com
// Website :
// Module Name : gbit_top.v
// Create Time : 2020-03-17 09:43:00
// Editor : sublime text3, tab size (4)
// CopyRight(c) : All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************
// Modification History:
// Date By Version Change Description
// -----------------------------------------------------------------------
// XXXX zhangningning 1.0 Original
//
// *********************************************************************************
module gbit_top(
//System Interfaces
input sclk ,
input rst_n ,
//Gigbit Interfaces
output reg phy_rst_n ,
input [ 3:0] rx_data ,
input rx_ctrl ,
input rx_clk
);
//========================================================================================\
//**************Define Parameter and Internal Signals**********************************
//========================================================================================/
reg [20:0] phy_rst_cnt ;
wire rx_clk_90 ;
//iddr_ctrl_inst
wire [ 7:0] gb_rx_data ;
wire gb_rx_data_en ;
wire gb_rx_data_err ;
//========================================================================================\
//************** Main Code **********************************
//========================================================================================/
clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst(
// Clock out ports
.clk_out1 (rx_clk_90 ), // output clk_out1
// Clock in ports
.clk_in1 (rx_clk )
);
iddr_ctrl iddr_ctrl_inst(
//System Interfaces
.rst_n (rst_n ),
//Gigabit Interfaces
.rx_data (rx_data ),
.rx_ctrl (rx_ctrl ),
.rx_clk (rx_clk_90 ),
//Communication Interfaces
.gb_rx_data (gb_rx_data ),
.gb_rx_data_en (gb_rx_data_en ),
.gb_rx_data_err (gb_rx_data_err )
);
always @(posedge sclk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
phy_rst_cnt <= 21'd0;
else if(phy_rst_cnt[20] == 1'b0)
phy_rst_cnt <= phy_rst_cnt + 1'b1;
else
phy_rst_cnt <= phy_rst_cnt;
always @(posedge sclk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
phy_rst_n <= 1'b0;
else if(phy_rst_cnt[20] == 1'b1)
phy_rst_n <= 1'b1;
else
phy_rst_n <= phy_rst_n;
endmodule
iddr_ctrl模块
`timescale 1ns / 1ps
// *********************************************************************************
// Project Name : OSXXXX
// Author : zhangningning
// Email : nnzhang1996@foxmail.com
// Website :
// Module Name : iddr_ctrl.v
// Create Time : 2020-03-17 09:21:20
// Editor : sublime text3, tab size (4)
// CopyRight(c) : All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************
// Modification History:
// Date By Version Change Description
// -----------------------------------------------------------------------
// XXXX zhangningning 1.0 Original
//
// *********************************************************************************
module iddr_ctrl(
//System Interfaces
input rst_n ,
//Gigabit Interfaces
input [ 3:0] rx_data ,
input rx_ctrl ,
input rx_clk ,
//Communication Interfaces
output reg [ 7:0] gb_rx_data ,
output reg gb_rx_data_en ,
output reg gb_rx_data_err
);
//========================================================================================\
//**************Define Parameter and Internal Signals**********************************
//========================================================================================/
wire [ 7:0] data ;
wire data_en ;
wire data_err ;
//========================================================================================\
//************** Main Code **********************************
//========================================================================================/
IDDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("OPPOSITE_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE", "SAME_EDGE"
// or "SAME_EDGE_PIPELINED"
.INIT_Q1 (1'b0 ), // Initial value of Q1: 1'b0 or 1'b1
.INIT_Q2 (1'b0 ), // Initial value of Q2: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) IDDR_ctrl (
.Q1 (data_en ), // 1-bit output for positive edge of clock
.Q2 (data_err ), // 1-bit output for negative edge of clock
.C (rx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D (rx_ctrl ), // 1-bit DDR data input
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);
genvar i;
generate
for (i = 0; i < 4; i = i+1) begin
IDDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("OPPOSITE_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE", "SAME_EDGE"
// or "SAME_EDGE_PIPELINED"
.INIT_Q1 (1'b0 ), // Initial value of Q1: 1'b0 or 1'b1
.INIT_Q2 (1'b0 ), // Initial value of Q2: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) IDDR_ctrl (
.Q1 (data[i] ), // 1-bit output for positive edge of clock
.Q2 (data[4+i] ), // 1-bit output for negative edge of clock
.C (rx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D (rx_data[i] ), // 1-bit DDR data input
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);
end
endgenerate
always @(posedge rx_clk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
gb_rx_data <= 8'd0;
else
gb_rx_data <= data;
always @(posedge rx_clk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
gb_rx_data_err <= 1'b0;
else
gb_rx_data_err <= data_err;
always @(posedge rx_clk or negedge rst_n)
if(rst_n == 1'b0)
gb_rx_data_en <= 1'b0;
else
gb_rx_data_en <= data_en;
endmoduleoddr_ctrl模块
`timescale 1ns / 1ps
// *********************************************************************************
// Project Name : OSXXXX
// Author : zhangningning
// Email : nnzhang1996@foxmail.com
// Website :
// Module Name : oddr_ctrl.v
// Create Time : 2020-03-17 09:56:53
// Editor : sublime text3, tab size (4)
// CopyRight(c) : All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************
// Modification History:
// Date By Version Change Description
// -----------------------------------------------------------------------
// XXXX zhangningning 1.0 Original
//
// *********************************************************************************
module oddr_ctrl(
//System Interfaces
input rst_n ,
//Gigbit Interfaces
output wire [ 3:0] tx_data ,
output wire tx_data_ctrl ,
output wire tx_clk ,
//Communication Interfaces
input [ 7:0] gb_tx_data ,
input gb_tx_data_en ,
input gb_tx_data_err ,
input gb_tx_clk
);
//========================================================================================\
//**************Define Parameter and Internal Signals**********************************
//========================================================================================/
//========================================================================================\
//************** Main Code **********************************
//========================================================================================/
ODDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("SAME_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"
.INIT (1'b0 ), // Initial value of Q: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) ODDR_ctrl (
.Q (tx_data_ctrl ), // 1-bit DDR output
.C (gb_tx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D1 (gb_tx_data_en ), // 1-bit data input (positive edge)
.D2 (gb_tx_data_err ), // 1-bit data input (negative edge)
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);
ODDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("SAME_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"
.INIT (1'b0 ), // Initial value of Q: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) ODDR_clk (
.Q (tx_clk ), // 1-bit DDR output
.C (gb_tx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D1 (1'b1 ), // 1-bit data input (positive edge)
.D2 (1'b0 ), // 1-bit data input (negative edge)
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);
genvar i;
generate
for (i = 0; i < 4; i = i+1) begin
ODDR #(
.DDR_CLK_EDGE ("SAME_EDGE" ), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"
.INIT (1'b0 ), // Initial value of Q: 1'b0 or 1'b1
.SRTYPE ("SYNC" ) // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"
) ODDR_data (
.Q (tx_data[i] ), // 1-bit DDR output
.C (gb_tx_clk ), // 1-bit clock input
.CE (1'b1 ), // 1-bit clock enable input
.D1 (gb_tx_data[i] ), // 1-bit data input (positive edge)
.D2 (gb_tx_data[4+i] ), // 1-bit data input (negative edge)
.R (~rst_n ), // 1-bit reset
.S (1'b0 ) // 1-bit set
);
end
endgenerate
endmodule测试模块的设计
tb_gigbit模块
`timescale 1ns / 1ps
`define CLOCK 8
// *********************************************************************************
// Project Name : OSXXXX
// Author : zhangningning
// Email : nnzhang1996@foxmail.com
// Website :
// Module Name : tb_gigbit.v
// Create Time : 2020-03-17 10:25:11
// Editor : sublime text3, tab size (4)
// CopyRight(c) : All Rights Reserved
//
// *********************************************************************************
// Modification History:
// Date By Version Change Description
// -----------------------------------------------------------------------
// XXXX zhangningning 1.0 Original
//
// *********************************************************************************
module tb_gigbit;
reg sclk ;
reg rst_n ;
reg [ 7:0] gb_tx_data ;
reg gb_tx_data_en ;
reg gb_tx_clk ;
wire [ 3:0] tx_data ;
wire tx_data_ctrl ;
wire tx_clk ;
wire phy_rst_n ;
initial begin
rst_n <= 1'b0;
gb_tx_clk = 1'b0;
sclk = 1'b0;
#(100*`CLOCK)
rst_n <= 1'b1;
end
always #(`CLOCK/2) gb_tx_clk = ~gb_tx_clk;
always #(10) sclk = ~sclk;
initial begin
gb_tx_data <= 8'd0;
gb_tx_data_en <= 1'b0;
@(posedge phy_rst_n)
#(1000*`CLOCK)
gen_data();
#(1000*`CLOCK)
gen_data();
end
task gen_data;
integer i ;
begin
i = 0;
for(i = 0;i < 100;i = i+1)begin
@(posedge gb_tx_clk);
gb_tx_data_en <= 1'b1;
if(i < 7)
gb_tx_data <= 8'h55;
else if(i == 7)
gb_tx_data <= 8'hd5;
else
gb_tx_data <= i;
end
@(posedge gb_tx_clk);
gb_tx_data <= 8'h0;
gb_tx_data_en <= 1'b0;
end
endtask
oddr_ctrl oddr_ctrl_inst(
//System Interfaces
.rst_n (rst_n ),
//Gigbit Interfaces
.tx_data (tx_data ),
.tx_data_ctrl (tx_data_ctrl ),
.tx_clk (tx_clk ),
//Communication Interfaces
.gb_tx_data (gb_tx_data ),
.gb_tx_data_en (gb_tx_data_en ),
.gb_tx_data_err (1'b0 ),
.gb_tx_clk (gb_tx_clk )
);
gbit_top gbit_top_inat(
//System Interfaces
.sclk (sclk ),
.rst_n (rst_n ),
//Gigbit Interfaces
.phy_rst_n (phy_rst_n ),
.rx_data (tx_data ),
.rx_ctrl (tx_data_ctrl ),
.rx_clk (tx_clk )
);
endmodule
仿真测试结果
程序的仿真测试结果如下：
上面的实验我们将ODDR与IDDR联合起来进行相应的仿真，仿真结果也证明了我们千兆网发送与接收模块单双沿变化的正确性。
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
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