Xilinx原语OSERDESE2的使用和仿真详解

1、介绍
随着电子行业技术的发展，特别是在传输接口的发展上，IEEE1284被 USB 接口取代，PATA被 SATA 取代，PCI被 PCI-Express 所取代，无一不证明了传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈了，取而代之的是速度更快的串行接口，于是原本用于光纤通信的SerDes 技术成为了为高速串行接口的主流。串行接口主要应用了差分信号传输技术，具有功耗低、抗干扰强，速度快的特点，理论上串行接口的最高传输速率可达到10Gbps 以上。

2、理论
Xilinx的原语OSERDESE2是一种专用的并-串转换器，每个OSERDESE2模块都包括一个专用串行化程序用于数据和3状态控制。数据和3状态序列化程序都可以工作在SDR和DDR模式。数据串行化的位宽可以达到8:1（如果使用原语模块级联，则可以到10:1和14:1）。3状态序列化最高可达14:1，有一个专用的DDR3模式可用于支持高速内存应用程序。

OSERDESE2的框图如下：

OSERDESE2的端口说明如下：

需要例化的一些可用属性如下：

TRISTATE_WIDTH的选取见下表：

SDR、DDR输出模式下位宽的选取有如下限制：

输出数据会有一些时钟周期的延迟，具体见下表：

3、8位数据的并串转换
接下里例化一个原语来熟悉下用法，8位数据的并串转换，采用DDR输出。

官方手册的8位DDR转化时序图如下：

例化原语OSERDESE2（打开VIvado--Tools--Language Templates，搜索“OSERDESE2”，可以找到Xilinx提供的模板），与DDR、3态控制相关的端口，输入全设置为0，输出不关心，编写Verilog如下：

//------------------------------------------------------------------------
//--OSERDESE2测试模块
//------------------------------------------------------------------------

//--------------------------------------------------------
module serializer(
input clk_ser , //串行输出时钟，50M*4=200M
input clk_per , //并行输入时钟，50M
input rst_n , //复位信号，低电平有效
input [7:0] par_data , //并行输入数据

output ser_data //串行输出数据
);

//---------------------------------------------------------------
OSERDESE2 #(
.DATA_RATE_OQ ("DDR") , // DDR, SDR
.DATA_RATE_TQ ("SDR") , // DDR, BUF, SDR
.DATA_WIDTH (8) , // Parallel data width (2-8,10,14)
.INIT_OQ (1'b0) , // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1)
.INIT_TQ (1'b0) , // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1)
.SERDES_MODE ("MASTER") , // MASTER, SLAVE
.SRVAL_OQ (1'b0) , // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.SRVAL_TQ (1'b0) , // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.TBYTE_CTL ("FALSE") , // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE)
.TBYTE_SRC ("FALSE") , // Tristate byte source (FALSE, TRUE)
.TRISTATE_WIDTH (1) // 3-state converter width (1,4)
)
OSERDESE2_inst (
.OFB () , // 1-bit output: Feedback path for data
.OQ (ser_data) , // 1-bit output: Data path output
.SHIFTOUT1 () ,
.SHIFTOUT2 () ,
.TBYTEOUT () , // 1-bit output: Byte group tristate
.TFB () , // 1-bit output: 3-state control
.TQ () , // 1-bit output: 3-state control
.CLK (clk_ser) , // 1-bit input: High speed clock
.CLKDIV (clk_per) , // 1-bit input: Divided clock
.D1 (par_data[0]) ,
.D2 (par_data[1]) ,
.D3 (par_data[2]) ,
.D4 (par_data[3]) ,
.D5 (par_data[4]) ,
.D6 (par_data[5]) ,
.D7 (par_data[6]) ,
.D8 (par_data[7]) ,
.OCE (1'b1) , // 1-bit input: Output data clock enable
.RST (~rst_n) , // 1-bit input: Reset
.SHIFTIN1 () ,
.SHIFTIN2 () ,
.T1 (1'b0) ,
.T2 (1'b0) ,
.T3 (1'b0) ,
.T4 (1'b0) ,
.TBYTEIN (1'b0) , // 1-bit input: Byte group tristate
.TCE (1'b0) // 1-bit input: 3-state clock enable
);

endmodule

每隔20ns随机生成1个8位2进制数据作为并行输入，观察串行输出，Testbench如下：

//------------------------------------------------
//--OSERDESE2原语仿真
//------------------------------------------------

`timescale 1ns / 1ps //时间单位/精度

//----------------------------------------------------
module tb_serializer();

reg clk_per ;
reg clk_ser ;
reg rst_n ;
reg [7:0] par_data ;
wire ser_data ;

//----------------------------------------------------
initial begin
clk_per clk_ser rst_n par_data #180
rst_n end
//----------------------------------------------------------
always #10 clk_per = ~clk_per;
always #2.5 clk_ser = ~clk_ser;

always #20 par_data

//----------------------------------------------------
serializer serializer_inst(
.clk_per (clk_per) ,
.clk_ser (clk_ser) ,
.rst_n (rst_n) ,
.par_data (par_data) ,
.ser_data (ser_data)
);

endmodule

仿真结果如下：

可以看出：

在第1条蓝线处，是复位后并行时钟的第1个上升沿，此时采集到的数据为0000_0001
在第2条蓝线处，也就是4个串行时钟的延迟后，串行输出开始有数据，分别为1-0-0-0-0-0-0-0，可以看出是第1个上升沿采集到的数据输出（0000_0001从低位往高位输出）
在第2条蓝线处，是复位后并行时钟的第2个上升沿，此时采集到的数据为0000_1101
在第3条蓝线处，也就是4个串行时钟的延迟后，串行输出开始有数据，分别为1-0-1-1-0-0-0-0，可以看出是第2个上升沿采集到的数据输出（0000_1101从低位往高位输出）

其他与上述相同，符合官方给出的时序图

4、10位数据的并串转换（级联）
OSERDESE2原语还支持例化两次原语级联，以便实现10位、14位位宽的串行化转换。下图是10位位宽的级联框图，其中一个设置位MASTER，另一个设置为SLAVE，通过SHIFTIN与SHIFTOUT连接。

需要注意：数据的输出从MASTER输出，数据的高位输入到SLAVE模块时，需要从D3开始（只能使用D3~D8）

接下里例化一个原语来实现10位数据的并串转换，采用DDR输出。

例化2个原语OSERDESE2级联（打开VIvado--Tools--Language Templates，搜索“OSERDESE2”，可以找到Xilinx提供的模板），与DDR、3态控制相关的端口，输入全设置为0，输出不关心，编写Verilog如下：

//------------------------------------------------------------------------
//--OSERDESE2测试模块
//------------------------------------------------------------------------

//--------------------------------------------------------
module serializer(
input clk_ser , //串行输出时钟，50M*5=250M
input clk_per , //并行输入时钟，50M
input rst_n , //复位信号，低电平有效
input [9:0] par_data , //并行输入数据，位宽10

output ser_data //串行输出数据
);
//------------------------------------------------------------------
wire shift1; //级联线1
wire shift2; //级联线2

//------------------------------------------------------------------

//例化主模块MASTER
OSERDESE2 #(
.DATA_RATE_OQ ("DDR") , // DDR, SDR
.DATA_RATE_TQ ("SDR") , // DDR, BUF, SDR
.DATA_WIDTH (10) , // Parallel data width (2-8,10,14)
.INIT_OQ (1'b0) , // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1)
.INIT_TQ (1'b0) , // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1)
.SERDES_MODE ("MASTER") , // MASTER, SLAVE
.SRVAL_OQ (1'b0) , // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.SRVAL_TQ (1'b0) , // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.TBYTE_CTL ("FALSE") , // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE)
.TBYTE_SRC ("FALSE") , // Tristate byte source (FALSE, TRUE)
.TRISTATE_WIDTH (1) // 3-state converter width (1,4)
)
OSERDESE2_inst1 (
.OFB () , // 1-bit output: Feedback path for data
.OQ (ser_data) , // 1-bit output: Data path output
.SHIFTOUT1 () ,
.SHIFTOUT2 () ,
.TBYTEOUT () , // 1-bit output: Byte group tristate
.TFB () , // 1-bit output: 3-state control
.TQ () , // 1-bit output: 3-state control
.CLK (clk_ser) , // 1-bit input: High speed clock
.CLKDIV (clk_per) , // 1-bit input: Divided clock
.D1 (par_data[0]) ,
.D2 (par_data[1]) ,
.D3 (par_data[2]) ,
.D4 (par_data[3]) ,
.D5 (par_data[4]) ,
.D6 (par_data[5]) ,
.D7 (par_data[6]) ,
.D8 (par_data[7]) ,
.OCE (1'b1) , // 1-bit input: Output data clock enable
.RST (~rst_n) , // 1-bit input: Reset
.SHIFTIN1 (shift1) ,
.SHIFTIN2 (shift2) ,
.T1 (1'b0) ,
.T2 (1'b0) ,
.T3 (1'b0) ,
.T4 (1'b0) ,
.TBYTEIN (1'b0) , // 1-bit input: Byte group tristate
.TCE (1'b0) // 1-bit input: 3-state clock enable
);

//例化从模块SLAVE
OSERDESE2 #(
.DATA_RATE_OQ ("DDR") , // DDR, SDR
.DATA_RATE_TQ ("SDR") , // DDR, BUF, SDR
.DATA_WIDTH (10) , // Parallel data width (2-8,10,14)
.INIT_OQ (1'b0) , // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1)
.INIT_TQ (1'b0) , // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1)
.SERDES_MODE ("SLAVE") , // MASTER, SLAVE
.SRVAL_OQ (1'b0) , // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.SRVAL_TQ (1'b0) , // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1)
.TBYTE_CTL ("FALSE") , // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE)
.TBYTE_SRC ("FALSE") , // Tristate byte source (FALSE, TRUE)
.TRISTATE_WIDTH (1) // 3-state converter width (1,4)
)
OSERDESE2_inst2 (
.OFB () , // 1-bit output: Feedback path for data
.OQ () , // 1-bit output: Data path output
.SHIFTOUT1 (shift1) ,
.SHIFTOUT2 (shift2) ,
.TBYTEOUT () , // 1-bit output: Byte group tristate
.TFB () , // 1-bit output: 3-state control
.TQ () , // 1-bit output: 3-state control
.CLK (clk_ser) , // 1-bit input: High speed clock
.CLKDIV (clk_per) , // 1-bit input: Divided clock
.D1 () ,
.D2 () ,
.D3 (par_data[8]) ,
.D4 (par_data[9]) ,
.D5 () ,
.D6 () ,
.D7 () ,
.D8 () ,
.OCE (1'b1) , // 1-bit input: Output data clock enable
.RST (~rst_n) , // 1-bit input: Reset
.SHIFTIN1 () ,
.SHIFTIN2 () ,
.T1 (1'b0) ,
.T2 (1'b0) ,
.T3 (1'b0) ,
.T4 (1'b0) ,
.TBYTEIN (1'b0) , // 1-bit input: Byte group tristate
.TCE (1'b0) // 1-bit input: 3-state clock enable
);
endmodule

每隔20ns随机生成1个10位2进制数据作为并行输入，观察串行输出，Testbench如下：

//------------------------------------------------
//--OSERDESE2原语仿真
//------------------------------------------------

`timescale 1ns / 1ps //时间单位/精度

//----------------------------------------------------
module tb_serializer();

reg clk_per ;
reg clk_ser ;
reg rst_n ;
reg [9:0] par_data ;
wire ser_data ;

//----------------------------------------------------
initial begin
clk_per clk_ser rst_n par_data #180
rst_n end
//----------------------------------------------------------
always #10 clk_per = ~clk_per;
always #2 clk_ser = ~clk_ser;

always #20 par_data

//----------------------------------------------------
serializer serializer_inst(
.clk_per (clk_per) ,
.clk_ser (clk_ser) ,
.rst_n (rst_n) ,
.par_data (par_data) ,
.ser_data (ser_data)
);

endmodule

仿真结果如下：

可以看出：

在第1条蓝线处，是复位后并行时钟的第1个上升沿，此时采集到的数据为11000_00001
在第2条蓝线处，也就是4个串行时钟的延迟后，串行输出开始有数据，分别为1-0-0-0-0-0-0-0-1-1，可以看出是第1个上升沿采集到的数据输出（11000_00001从低位往高位输出）
在第2条蓝线处，是复位后并行时钟的第2个上升沿，此时采集到的数据为01000_01101
在第3条蓝线处，也就是4个串行时钟的延迟后，串行输出开始有数据，分别为1-0-1-1-0-0-0-0-1-0，可以看出是第2个上升沿采集到的数据输出（01000_01101从低位往高位输出）
其他与上述相同。

这里官方手册没有给出10bitDDR输出的时序图，输出延迟给出的表如下图：

可以看到这里10：1的输出延迟应该是5个时钟周期，但是我上面仿真的却是4个时钟周期，一开始我还以为是哪里错了，搞得我重复仿真了好几遍，后面又看了一下手册，终于在延迟表的下面发现了这句话（上图标红）：CLK、CLKDIV的时钟沿通常不是相位一致的。当这两个时钟的时钟沿相位一致时，延迟会存在一个周期的差异。

这样的话，仿真结果应该是没有问题。

审核编辑：汤梓红