在Vivado中創建基于IP集成器(IP Integrator)的設計

本文作者：賽靈思工程師 Shengjie Li

Zynq UltraScale+ RFSoC 是業界首款單芯片自適應無線電平臺，在一款芯片內集成射頻直采數據轉換器、單芯片軟決策前向糾錯核(SD-FEC)、FPGA邏輯、完整的ARM處理器子系統和高速收發器等。

第三代RFSoC器件與前幾代產品相比，射頻輸入輸出頻率響應已擴展至全面支持6GHz以下頻段，可幫助用戶開發尖端RF設計，例如大規模MIMO無線電、5G基帶、固定無線接入、測試測量與相控陣雷達等等。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詳細了解Zynq RFSoC系列產品具體參數及選型指南。

本次將分上下篇介紹基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU216評估套件的詳細內容：

1. 第三代RFSoC 器件時鐘轉發特性。

2. ZCU216時鐘結構及可行的時鐘設計方案。

3. 在Vivado中創建基于IP集成器(IP Integrator)的設計。

4. 在Vitis中創建基于ARM的BareMetal程序設計。

5. 代碼簡要分析。

6. 硬件環境及測試結果。

本文用于示例的軟件工具、驅動版本、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 器件時鐘轉發特性：

RFSoC在芯片內集成了數據轉換器，第三代RFSoC系列器件均包含4個ADC Tile和4個DAC Tile，每個ADC和DAC Tile內可能包含1個(ZU43DR)或2個(ZU47DR/48DR)或者4個(ZU49DR)Channel，這取決于芯片型號。以ZCU216開發板上的芯片為例，ZU49DR的每個ADC Tile內包含4路ADC，每個DAC Tile內包含4路DAC。

每個Tile都可以獨立配置，工作在不同的采樣時鐘頻率上，采樣時鐘可以來自于外部高頻時鐘輸入，可以來自于每個Tile內部PLL倍頻后的時鐘，也可以來自于其他Tile分發的參考時鐘。

第三代RFSoC器件相比之前幾代產品引入了時鐘轉發特性，不再需要為每個Tile都提供獨立的采樣時鐘，節省了引腳數量，降低了外圍電路的復雜度。

時鐘轉發的方式共分為兩種，一種是參考時鐘轉發，一種是采樣時鐘轉發。

所謂參考時鐘轉發，是指外部時鐘芯片提供低噪聲低頻時鐘到一個ADC/DAC Tile的專用時鐘管腳，該時鐘將在Tile間轉發，通過每個Tile內的PLL倍頻出所需的采樣時鐘；

而采樣時鐘轉發有兩種途徑，一是從外部時鐘芯片直接提供低噪聲高頻的采樣時鐘到一個ADC/DAC Tile的專用時鐘管腳，采樣時鐘將在Tile間分發，無需通過內部PLL倍頻，直接提供給ADC/DAC Channel作為采樣時鐘；

時鐘芯片提供低噪聲低頻時鐘到一個ADC/DAC Tile的專用時鐘管腳，該時鐘在此Tile內通過PLL倍頻到采樣頻率，隨后將此采樣時鐘在Tile間分發。

以上僅為時鐘分發方式的簡化解釋，會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章節閱讀。

用戶也可以打開Vivado，選擇器件型號后在RF Data Converter IP內根據原理圖和目標設計進行配置，如果時鐘設計存在問題，工具會給予一定的報警和提示。

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

2. ZCU216時鐘結構及可行的時鐘設計方案：

本節僅覆蓋ZCU216開發板與RF數據轉換器相關的時鐘部分，這部分時鐘均由擴展子卡CLK104提供。

如下所示為CLK104板上的功能示意圖：

通過一個時鐘芯片為DAC提供接近10GSPS的低噪聲采樣時鐘是很難實現的，CLK104板采用兩級PLL方案。

第一級LMK04828B是一個雙環路抖動清除器和時鐘發生器，一級回路的參考輸入可為板上的10MHz TCXO、外部參考時鐘(比如從SMA100B輸出低噪聲時鐘)，或SFP恢復時鐘。二級回路的參考輸入為板上的160MHz VCXO，可輸出低相噪的時鐘、同步信號。其中DAC_REFCLK和ADC_REFCLK可作為ADC/DAC低頻參考時鐘輸入；PL_CLK，AMS_SYSREF和PL_SYSREF均用作MTS(Multi-Tile Synchronization)應用，我們將在未來博客中詳細描述MTS相關應用；

第二級LMX2594接收第一級輸出時鐘，將其倍頻到采樣頻率，直接輸出到ADC/DAC Tile。

這三顆時鐘芯片均由SPI接口控制，板上有一顆IIC to SPI橋接芯片，FPGA通過IIC接口對此轉換芯片進行控制，進而控制三顆時鐘芯片。除此以外還有一種更為簡單的方式，ZCU216板上帶有一顆TI的MSP430 MCU，其IIC接口通過IIC Switch也可以連接到這幾顆時鐘IC上，用戶可以參考XTP580，使用BoardUI實現對時鐘的配置。

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

本文后續將會展示以下的時鐘方案配置：

使用LMX2594輸出高頻采樣時鐘分發方式，從ADC Tile1和DAC Tile1輸入。設定ADC 采樣頻率為2000MHz，DAC采樣頻率為6400MHz。

3. 在Vivado中創建基于IP集成器(IP Integrator)的設計

本節需要讀者對基于Vivado的IPI設計比較熟悉，將不會對較簡單的操作步驟進行詳述。如何使用此Blog提供的TCL文件重建Vivado工程請參考附錄。

? 打開Vivado 2021.2,新建工程，名為rfsoc_zcu216_clocking。

?選擇板卡ZCU216 EVB或ZCU216 ES EVB，根據板卡型號決定，二者bitstream不兼容。

? 在工程界面內創建Block Design，默認名為design_1。

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

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

? 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Channel，其他所有配置大多數都是可以通過API修改的，保持默認即可，后續將會介紹如何通過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，如上一節所示，我們將先按ADC 2GSPS，DAC 6.4GSPS進行配置，使用采樣時鐘分發方式。IP的輸出時鐘可以用于倍頻產生AXI4-Stream數據接口的時鐘，因此我們先保持和Fabric clock 頻率8分頻的關系進行配置。

5. Advanced界面保持默認，無需勾選。

? Run Block Automation，將RFDC IP AXI-Lite接口通過Interconnect連接到Zynq LPD接口實現地址映射。

? 為AXI4-Stream接口提供合適的時鐘和復位。

1. 點擊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MMCM產生ADC/DAC所需的數字時鐘。在彈出界面中勾選ADC 0-3的時鐘源為ADC0，DAC0-3的時鐘源為DAC0。

3. 工具將會自動例化兩個Clocking Wizard IP，adc0_clk_wiz使用IP輸出的31.25MHz的時鐘作為輸入，倍頻輸出200MHz時鐘供給Master接口。Dac0_clk_wiz使用IP輸出的50MHz時鐘作為輸入，倍頻輸出400MHz時鐘供給給Slave接口。

4. 修改clocking wizard復位極性為低電平有效。

5.例化兩個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的數字接口，Master AXI-Stream是ADC的數字接口。

6. 例化一個AXI GPIO IP，用于控制時鐘板CLK104上的SPI SDO選通。設定為輸出，位寬為2，初始值設定為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，確保沒有報錯。

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

? 添加管腳約束，RFDC相關管腳為專有管腳，IP內包含管腳約束，用戶無需為此添加。

? 生成bitstream，檢查工程是否有時序違例。

? 導出工程XSA文件，File-Export-Export Hardware，勾選Include Bitstream，選擇導出目錄。

原文標題：開發者分享｜第三代Zynq RFSoC器件射頻數據轉換器應用: 時鐘設計-上

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