AN 796: Cyclone® V和 Arria® V SoC 器件设计指南

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ID 683360
日期 7/27/2020
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1. Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA设计指南概述 2. 背景：对比 Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA HPS子系统 3. SoC FPGA中HPS部分的设计指南 4. SoC FPGA的电路板设计指南 5. SoC FPGA的嵌入式软件设计指南 A. 支持和文档 B. 附加信息
1. Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA设计指南概述 x
1.1. SoC FPGA设计人员核查表 1.2. SoC FPGA设计中HPS设计指南概述 1.3. SoC FPGA设计的电路板设计指南概述 1.4. SoC FPGA设计的嵌入式软件设计指南概述
2. 背景：对比 Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA HPS子系统 x
2.1. HPS和FPGA互连指南
2.1. HPS和FPGA互连指南 x
2.1.1. HPS-FPGA桥接 2.1.2. FPGA-to-HPS SDRAM访问 2.1.3. 将软逻辑连接HPS组件
2.1.1. HPS-FPGA桥接 x
2.1.1.1. 轻量HPS-to-FPGA桥接 2.1.1.2. HPS-to-FPGA桥接 2.1.1.3. FPGA-to-HPS桥接
3. SoC FPGA中HPS部分的设计指南 x
3.1. 由此开始SoC-FPGA设计 3.2. 连接器件I/O与HPS外设和存储器的设计考量 3.3. HPS时钟和复位设计考量 3.4. HPS EMIF设计考量 3.5. DMA考量 3.6. 管理FPGA加速器一致性 3.7. IP调试工具
3.1. 由此开始SoC-FPGA设计 x
3.1.1. HPS-to-FPGA接口设计的建议起点 3.1.2. 确定您的SoC FPGA拓扑
3.2. 连接器件I/O与HPS外设和存储器的设计考量 x
3.2.1. HPS管脚分配设计考量 3.2.2. HPS I/O设置：约束和驱动强度
3.3. HPS时钟和复位设计考量 x
3.3.1. HPS时钟规划 3.3.2. 早期管脚规划与I/O约束分析 3.3.3. HPS JTAG，时钟，复位和PoR的管脚功能和连接 3.3.4. 内部时钟
3.4. HPS EMIF设计考量 x
3.4.1. HPS连接SDRAM的考量 3.4.2. HPS SDRAM I/O位置 3.4.3. HPS EMIF与SoC FPGA器件集成 3.4.4. HPS存储器调试 3.4.5. HPS地址镜像技术
3.5. DMA考量 x
3.5.1. 选择DMA控制器 3.5.2. 通过HPS互连优化DMA主控带宽 3.5.3. FPGA加速器的时序收敛
3.6. 管理FPGA加速器一致性 x
3.6.1. 高速缓存一致性 3.6.2. FPGA逻辑和HPS之间的一致性：加速器一致性端口（ACP） 3.6.3. 数据大小影响ACP性能 3.6.4. 避免ACP Dependency锁定 3.6.5. FPGA通过 AXI* 或Avalon-MM对ACP的访问 3.6.6. ACP和L2 Cache ECC访问的数据对齐
4. SoC FPGA的电路板设计指南 x
4.1. 电路板启动考量 4.2. 引导和配置设计考量 4.3. HPS电源设计考量 4.4. HPS的边界扫描 4.5. HPS接口的设计指南
4.1. 电路板启动考量 x
4.1.1. 保留的BSEL设置
4.2. 引导和配置设计考量 x
4.2.1. 引导设计考量 4.2.2. 配置 4.2.3. 参考资料
4.2.1. 引导设计考量 x
4.2.1.1. 引导源 4.2.1.2. 选择需要的Flash器件 4.2.1.3. BSEL选项 4.2.1.4. 引导时钟 4.2.1.5. CSEL选项 4.2.1.6. 选择NAND Flash Devices 4.2.1.7. 确定Flash编程方法 4.2.1.8. 为QSPI and SD/MMC/eMMC提供Flash Memory复位 4.2.1.9. 选择QSPI Flash器件
4.2.2. 配置 x
4.2.2.1. 传统配置 4.2.2.2. 启用HPS的配置
4.3. HPS电源设计考量 x
4.3.1. 早期系统和电路板规划 4.3.2. SoC FPGA器件HPS和FPGA Power Supplies的设计考量 4.3.3. 电路板设计的管脚连接考量 4.3.4. 功率分析和优化
4.3.1. 早期系统和电路板规划 x
4.3.1.1. 早期功耗估算
4.3.2. SoC FPGA器件HPS和FPGA Power Supplies的设计考量 x
4.3.2.1. 考虑需要在保持HPS运行的同时关闭FPGA部分 4.3.2.2. 考虑需要的HPS引导时钟频率
4.3.3. 电路板设计的管脚连接考量 x
4.3.3.1. 器件上电
4.5. HPS接口的设计指南 x
4.5.1. HPS EMAC PHY接口 4.5.2. USB接口设计指南 4.5.3. QSPI Flash接口设计指南 4.5.4. SD/MMC和eMMC卡接口设计指南 4.5.5. NAND Flash接口设计指导 4.5.6. UART接口设计指南 4.5.7. I2C接口设计指南 4.5.8. SPI接口设计指南
4.5.1. HPS EMAC PHY接口 x
4.5.1.1. 通过HPS Dedicated I/O连接的PHY接口 4.5.1.2. 通过FPGA I/O连接的PHY接口 4.5.1.3. 常见PHY接口设计考量
4.5.1.1. 通过HPS Dedicated I/O连接的PHY接口 x
4.5.1.1.1. RGMII I/O管脚时序 发送路径建立/保持 指南：请确保您的设计中包含必要的Quartus设置以针对所需延迟配置HPS EMAC输出。 接收路径建立/保持 指南：硬件开发人员应该指定需要的FPGA偏斜，以便软件开发人员可将偏斜添加到器件驱动编码。
4.5.1.2. 通过FPGA I/O连接的PHY接口 x
4.5.1.2.1. GMII/MII 4.5.1.2.2. 适配RGMII 4.5.1.2.3. 适配到RMII 4.5.1.2.4. 适配到SGMII 4.5.1.2.5. MDIO
4.5.1.3. 常见PHY接口设计考量 x
4.5.1.3.1. 信号完整性
5. SoC FPGA的嵌入式软件设计指南 x
5.1. HPS的嵌入式软件：设计指南 5.2. Flash器件驱动设计考量 5.3. SD卡低功耗模式设计考量 5.4. HPS ECC设计考量 5.5. HPS SDRAM考量
5.1. HPS的嵌入式软件：设计指南 x
5.1.1. 组装软件开发平台的组件 5.1.2. 为应用程序选择操作系统 5.1.3. 组装用于Linux的Software Development Platform 5.1.4. 组装Bare-Metal应用程序的Software Development Platform 5.1.5. 组装用于合作伙伴OS或RTOS的软件开发平台 5.1.6. 选择引导加载程序软件 5.1.7. 选择用于开发，调试和跟踪的软件工具。
5.1.1. 组装软件开发平台的组件 x
5.1.1.1. Golden Hardware Reference Design
5.1.2. 为应用程序选择操作系统 x
5.1.2.1. Linux或RTOS 5.1.2.2. Bare Metal（裸机） 5.1.2.3. 使用Symmetrical与Asymmetrical Multiprocessing（SMP vs. AMP）模式
5.1.3. 组装用于Linux的Software Development Platform x
5.1.3.1. 面向Linux的黄金系统参考设计（GSRD） 5.1.3.2. 源代码管理考量 5.1.3.3. GSRD for Linux开发流程 5.1.3.4. GSRD for Linux创建流程 5.1.3.5. Linux Device Tree设计考量
5.1.7. 选择用于开发，调试和跟踪的软件工具。 x
5.1.7.1. 选择软件构建工具 5.1.7.2. 选择软件调试工具 5.1.7.3. 选择软件跟踪工具
5.4. HPS ECC设计考量 x
5.4.1. 常规ECC设计考量 5.4.2. 系统级ECC控制，状态和中断管理 5.4.3. L2高速缓存数据存储器的ECC 5.4.4. Flash Memory的ECC
5.5. HPS SDRAM考量 x
5.5.1. 使用Preloader调试HPS SDRAM 5.5.2. 通过FPGA-to-SDRAM接口访问HPS SDRAM
5.5.1. 使用Preloader调试HPS SDRAM x
5.5.1.1. 使能Runtime Calibration Report 5.5.1.2. 更改DLEVEL获得更多调试信息 5.5.1.3. 使能HPS SDRAM的Example驱动 5.5.1.4. 更改Example Driver中的Data码型 5.5.1.5. 从所有地址写入和读取的实例编码 5.5.1.6. 读/写Preloader中的HPS寄存器 5.5.1.7. 检查Preloader中的HPS PLL Lock Status
A. 支持和文档 x
A.1. 支持 A.2. 软件文档
B. 附加信息 x
B.1. Cyclone® V和 Arria® V SoC器件指南修订历史
1. Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA设计指南概述
2. 背景：对比 Cyclone® V SoC FPGA和 Arria® V SoC FPGA HPS子系统
3. SoC FPGA中HPS部分的设计指南
4. SoC FPGA的电路板设计指南
5. SoC FPGA的嵌入式软件设计指南
A. 支持和文档
B. 附加信息

4.5.1.1.1. RGMII

Reduced Gigabit Media Independent Interface (RGMII) (Reduced GMII)是最常见的接口，因为它支持PHY层的10 Mbps，100 Mbps和1000 Mbps连接速度。RGMII使用4-bit宽发送和接收数据通路，每个数据通路都有自己的源同步时钟。所有发送数据和控制信号源同步到TX_CLK，与此同时所有接收数据和控制信号源同步到RX_CLK。

所有速度模式中，TX_CLK始终由MAC提供时钟源，而RX_CLK始终由PHY提供时钟源。在1000 Mbps模式下，TX_CLK和RX_CLK为125 MHz，用Dual Data Rate (DDR)信令。

10 Mbps和100 Mbps模式下，TX_CLK和RX_CLK分别为2.5 MHz和25 MHz，使用上升沿Single Data Rate (SDR)信令。

图 5. RGMII

I/O管脚时序

本小节从满足1000 Mbps模式下各种要求的角度触发，解决RGMII接口时序相关问题。1000 Mbps模式下，需要最多接口时序裕量，因而这是此处唯一需要考虑的情况。

125 MHz时，周期为8 ns，但由于两个沿都已使用，因而有效沿周期仅为4 ns。TX 和RX总线完全独立但时钟源同步，从而简化了时序。RGMII规范要求CLK在任意方向上从接收器的DATA延迟最短1.0 ns到最长2.6 ns。

换言之，MAC到PHY的TX_CLK必须延迟于输出到PHY输入和从PHY输出到MAC输入的RX_CLK。如在输出管脚处测得的那样，信号在每个方向的+/- -500 ps RGMII偏斜规范内同步传输。每个方向所需的最小延迟为1 ns，但建议将目标延迟定为1.5 ns到2 ns，以确保足够的时序裕量。

发送路径建立/保持

仅TX_CLK到TX_CTL和TXD[3:0]的建立和保持时间会影响发送。 Cyclone® V/ Arria® V HPS Dedicated I/O没有可编程延迟功能。

Cyclone® V/ Arria® V SoC中的TX_CLK，必须采用RGMII规范下的1.0 ns PHY最小输入建立时间。强烈建议将该延迟增加到1.5 ns至2.0 ns。许多PHY提供可编程偏斜，与此同时有些支持RGMII 2.0规范的还默认使能发送和接收数据通路上的偏斜。

PHY延迟和FPGA I/O延迟功能之间，必须确保CLK与CTL和D[3:0]之间的延迟2 ns，或者大多数PHY的典型最小建立偏斜为1.2 ns。请参阅您PHY供应商提供的数据表了解更多详细信息。

指南：请确保您的设计中包含必要的Quartus设置以针对所需延迟配置HPS EMAC输出。

在 Cyclone® V/ Arria® V SoC Development Kit和相关Golden Hardware Reference Design（GHRD是GSRD的硬件组件）中，通过Microchip* (Micrel*) KSZ9021RN PHY实现PHY偏斜。请参阅hps_common_board_info.xml文件和Golden System Reference Design (GSRD)中的PHY驱动编码。

接收路径建立/保持

对于接收时序，只需考虑RX_CLK到RX_CTL 和RXD[3:0]的建立和保持时间。 Cyclone® V/ Arria® V SoC HPS Dedicated I/O中，PHY侧或电路板走线延迟方面不需要其他考量。

指南：硬件开发人员应该指定需要的FPGA偏斜，以便软件开发人员可将偏斜添加到器件驱动编码。

使用hps_common_board_info.xmlwenjian文件编译 Cyclone® V或 Arria® V SoC GSRD的Linux器件树。

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