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99
读出子系统编程控制模型.md
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@ -1,10 +1,44 @@
# 1. 编程控制模型概述 [TOC]
## 1.1 测控系统编程概述 # 修订记录
|版本|修订日期|修订原因|修订内容|修订人|
|:-|:-|:-|:-|:-|
|v1.0|2025/10/27|统一格式|初始版本|郭成|
# 1. 前言
## 1.1. 目的与范围
本文档的目的是介绍读出芯片激励产生和采集处理相关控制，
本文档作为开放文档供大家阅读。
## 1.2. 阅读对象
本文档的预期读者是所有使用本芯片的用户以及对该芯片工作原理感兴趣的读者。
## 1.3. 文档概述
本文档首先介绍了测控系统总体的编程对象和规范，
针对读出相关的三种类型通道的编程进行了详细介绍。
读出三类通道中，EXC和ACQ通道控制较为复杂，其包含MCU编程控制。
针对这两个通道，本文详细介绍了MCU码字定义、
寄存器控制和相关存储区配置。
## 1.4. 引用文档
|文档编号|标题|版本|
|:-|:-|:-|
|-|读出子系统历史无关配置集|V1.0|
|-|读出子系统IDS表|-|
## 1.5. 术语定义
|名字|全称|解释|
|:-|:-|:-|
|EXC|Excitation|读出激励生成发送通道|
|ACQ|Acquisition|读出回波采集处理通道|
# 2. 编程控制模型概述
## 2.1 测控系统编程概述
超导量子计算机利用微波信号来驱动量子比特和读出量子比特状态，量子比特不同类型的操作依赖不同类型的信号来控制。 超导量子计算机利用微波信号来驱动量子比特和读出量子比特状态，量子比特不同类型的操作依赖不同类型的信号来控制。
ez-Q 2.5测控系统包含5种物理通道，对应5类硬件接口，分别是处理器RI、处理器RO、Pump、XYZ/Reset和ZCP通道； ez-Q 2.5测控系统包含5种物理通道，对应5类硬件接口，分别是处理器EXC、处理器ACQ、Pump、XYZ/Reset和ZCP通道；
系统具有7种控制信号，对应7种编程对象，分别是RI、RO、Pump、XY、Reset、Z和ZCP信号； 系统具有7种控制信号，对应7种编程对象，分别是EXC、ACQ、Pump、XY、Reset、Z和ZCP信号；
系统具有4种控制模型，对应4种编程类型，分别是RO、RI-Pump、XY/Reset和Z/ZCP模型，分类关系如下表所示。 系统具有4种控制模型，对应4种编程类型，分别是ACQ、EXC-Pump、XY/Reset和Z/ZCP模型，分类关系如下表所示。
|5种物理通道|7种控制对象|4种控制模型| |5种物理通道|7种控制对象|4种控制模型|
|:-:|:-:|:-:| |:-:|:-:|:-:|
@ -12,8 +46,8 @@ ez-Q 2.5测控系统包含5种物理通道，对应5类硬件接口，分别是
|^|Reset信号|^| |^|Reset信号|^|
|^|Z信号|Z/ZCP控制模型| |^|Z信号|Z/ZCP控制模型|
|ZCP通道|ZCP信号|Z/ZCP控制模型| |ZCP通道|ZCP信号|Z/ZCP控制模型|
|RO通道|RO信号|RO控制模型| |ACQ通道|ACQ(RO)信号|ACQ控制模型|
|RI通道|RI信号|RI-Pump控制模型| |EXC通道|EXC(RI)信号|EXC-Pump控制模型|
|Pump通道|Pump信号|^| |Pump通道|Pump信号|^|
测控系统中的每种控制模型实现的功能都是通过微控制器发出的码字+当前寄存器+配置数据+模拟电路配置这4种数据来定义， 测控系统中的每种控制模型实现的功能都是通过微控制器发出的码字+当前寄存器+配置数据+模拟电路配置这4种数据来定义，
@ -22,7 +56,7 @@ ez-Q 2.5测控系统包含5种物理通道，对应5类硬件接口，分别是
本文档通过对不同编程模型下码字定义、控制寄存器、配置数据和模拟电路设置进行介绍，旨在让用户能够对信号的产生和处理进行编程控制。针对实验流程和码字产生的编程，读者需要查看对应指令集文档或者编程语言文档。 本文档通过对不同编程模型下码字定义、控制寄存器、配置数据和模拟电路设置进行介绍，旨在让用户能够对信号的产生和处理进行编程控制。针对实验流程和码字产生的编程，读者需要查看对应指令集文档或者编程语言文档。
## 1.2 读出子系统编程 ## 2.2 读出子系统编程
ez-Q 2.5 ASIC平台读出子系统由读出基带板、读出混频板和读出泵浦板三个硬件组成， ez-Q 2.5 ASIC平台读出子系统由读出基带板、读出混频板和读出泵浦板三个硬件组成，
三个板卡以PXIe板卡的形式安装在机箱中位置相邻的三个槽位上， 三个板卡以PXIe板卡的形式安装在机箱中位置相邻的三个槽位上，
混频板的槽位号比基带板大1，泵浦板槽位号比基带板槽位号小1， 混频板的槽位号比基带板大1，泵浦板槽位号比基带板槽位号小1，
@ -39,11 +73,11 @@ ez-Q 2.5 ASIC平台读出子系统由读出基带板、读出混频板和读出
通过扩展地址指定同一个板卡内的多个通道、通过地址指定一个通道内的不同配置项。 通过扩展地址指定同一个板卡内的多个通道、通过地址指定一个通道内的不同配置项。
地址维护由专门的表来定义，本文不对地址翻译进行赘述。 地址维护由专门的表来定义，本文不对地址翻译进行赘述。
# 2. 处理器RO编程模型 # 3. 处理器ACQ通道编程模型
@import "ro_datapath.md" @import "ro_datapath.md"
## 2.1. 模拟调理电路配置 ## 3.1. 模拟调理电路配置
来自量子比特RO端口的射频信号需要经过前端模拟电路处理后才能够被读出基带处理单元采集处理。 来自量子比特RO端口的射频信号需要经过前端模拟电路处理后才能够被读出基带处理单元采集处理。
前端模拟调理电路包括增益和本振，这里需要注意同一个混频板上四个通道上下变频使用同一个本振信号。 前端模拟调理电路包括增益和本振，这里需要注意同一个混频板上四个通道上下变频使用同一个本振信号。
@ -53,11 +87,14 @@ ez-Q 2.5 ASIC平台读出子系统由读出基带板、读出混频板和读出
|lo_freq|变频本振频率设置| |lo_freq|变频本振频率设置|
|mix_gain|下变频增益设置| |mix_gain|下变频增益设置|
## 2.2. RO码字功能定义 ## 3.2. ACQ码字功能定义
@import "ro_codeword.md" @import "ro_codeword.md"
## 2.3 RO寄存器功能定义 ## 3.3 ACQ寄存器功能定义
RO通道寄存器的地址空间可以被SPI和MCU同时访问，因此用户可通过SPI或者MCU设置参数。建议静态参数通过SPI配置完成就保持不变，需要动态控制的参数通过MCU来实时更新。 ACQ通道寄存器的地址空间可以被SPI和MCU同时访问，
因此用户可通过SPI或者MCU设置参数。
建议静态参数通过SPI配置完成就保持不变，
需要动态控制的参数通过MCU来实时更新。
|名字|功能描述| |名字|功能描述|
|:-|:-| |:-|:-|
@ -87,7 +124,7 @@ ez-Q 2.5 FPGA平台采用系数直读模式，因此不支持上述功能。
解模完成后，可以通过`TWO_STA_EN`来控制是否启动2态判定， 解模完成后，可以通过`TWO_STA_EN`来控制是否启动2态判定，
当`TWO_STA_EN=1`时，可以只配置一组直线方程系数进行态判断。 当`TWO_STA_EN=1`时，可以只配置一组直线方程系数进行态判断。
## 2.4 匹配滤波器参数 ## 3.4 匹配滤波器参数
匹配滤波器在FPGA/ASIC两种平台下由于资源不同实现的形式也不同。 匹配滤波器在FPGA/ASIC两种平台下由于资源不同实现的形式也不同。
由于ASIC多计算少存储，因而ASIC平台时使用系数计算模式。 由于ASIC多计算少存储，因而ASIC平台时使用系数计算模式。
系数计算模式下，匹配滤波器的系数由DDS生成的载波乘以权重参数得到。 系数计算模式下，匹配滤波器的系数由DDS生成的载波乘以权重参数得到。
@ -95,11 +132,11 @@ ez-Q 2.5 FPGA平台采用系数直读模式，因此不支持上述功能。
权重参数的选择由mtf_idx控制，其高16位作为地址，低16位作为长度。 权重参数的选择由mtf_idx控制，其高16位作为地址，低16位作为长度。
寄存器dds_pfw_q 和mtf_idx_q 的详细定义与查找表中定义保持相同。 寄存器dds_pfw_q 和mtf_idx_q 的详细定义与查找表中定义保持相同。
读出系统的的相关参数的存储格式如下图所示。 读出系统的的相关参数的存储格式如下图所示。
系数只读模式只使用`Ctrl`部分中的数据，并忽略`dds_pfw`控制字 系数只读模式只使用`Ctrl`部分中的数据，并忽略`dds_pfw`控制字.
![读出RO通道控制模型](./assets/readout_para.png) ![读出ACQ通道控制模型](./assets/readout_para.png)
## 2.5 匹配滤波器系数 ## 3.5 匹配滤波器系数
由于FPGA 多存储少计算资源，因此FPGA平台时使用系数直读模式以节省DSP资源。 由于FPGA 多存储少计算资源，因此FPGA平台时使用系数直读模式以节省DSP资源。
ez-Q 2.5 FPGA平台使用系数只读模式，其需要额外配置匹配滤波器系数。 ez-Q 2.5 FPGA平台使用系数只读模式，其需要额外配置匹配滤波器系数。
@ -111,17 +148,18 @@ ez-Q 2.5 FPGA平台使用系数只读模式，其需要额外配置匹配滤波
匹配滤波器的I和Q数据分开存储，每个比特的I、Q数据容量分别为16 KB。 匹配滤波器的I和Q数据分开存储，每个比特的I、Q数据容量分别为16 KB。
I路数据偏移地址为x*32KB，Q路数据偏移地址为x*32KB+16 KB，其中x为Qubit序号，范围为0~15。 I路数据偏移地址为x*32KB，Q路数据偏移地址为x*32KB+16 KB，其中x为Qubit序号，范围为0~15。
![读出RO通道控制模型](./assets/readout_mtf.png) ![读出ACQ通道控制模型](./assets/readout_mtf.png)
# 3. 处理器RI-Pump编程模型 # 4. 处理器EXC-Pump编程模型
@import "ri_datapath.md" @import "ri_datapath.md"
## 3.1 码字功能定义 ## 4.1 码字功能定义
@import "ri_codeword.md" @import "ri_codeword.md"
## 3.2 寄存器功能定义 ## 4.2 寄存器功能定义
RI-Pump通道的全部寄存器可以被SPI和MCU同时访问，用户可以根据需要决定使用SPI还是MCU来控制寄存器的值。 EXC-Pump通道的全部寄存器可以被SPI和MCU同时访问，
用户可以根据需要决定使用SPI还是MCU来控制寄存器的值。
|名字|功能描述| |名字|功能描述|
|:-|:-| |:-|:-|
|wave_ctrl|寄存器索引波形，包含地址和长度信息| |wave_ctrl|寄存器索引波形，包含地址和长度信息|
@ -150,7 +188,7 @@ $\phi_{NCO} = PCW/2^{16}*2*\pi$。
MIX_MODE用于直接输出射频信号，由于采用了模拟混频方案，不使能该功能。 MIX_MODE用于直接输出射频信号，由于采用了模拟混频方案，不使能该功能。
`INTP_SEL`在FPGA平台下受限于DSP资源，只能设置为邻近插值模式。 `INTP_SEL`在FPGA平台下受限于DSP资源，只能设置为邻近插值模式。
## 3.3 波形索引表定义 ## 4.3 波形索引表定义
波形查找表的深度为256条（1 kB），每个条目的位宽为32比特， 波形查找表的深度为256条（1 kB），每个条目的位宽为32比特，
其通过8比特的波形id来索引输出波形的参数（地址和长度），最大支持256种不同的输出波形。 其通过8比特的波形id来索引输出波形的参数（地址和长度），最大支持256种不同的输出波形。
索引表格式定义如下图所示： wave_id是mcu产生的码字，其可以作为地址索引波形控制参数。 索引表格式定义如下图所示： wave_id是mcu产生的码字，其可以作为地址索引波形控制参数。
@ -162,16 +200,16 @@ ezq2.5 FPGA平台下读出地址和长度单位是16个采样点。
![波形查找表和波形仓库](./assets/readout_lut.png) ![波形查找表和波形仓库](./assets/readout_lut.png)
## 3.4 波形仓库定义 ## 4.4 波形仓库定义
ASIC平台下，每个时钟周期对应8个采样点， ASIC平台下，每个时钟周期对应8个采样点，
数据更新率为6 Gsps，每个采样点持续时间为167 皮秒(6 GS/s)。 数据更新率为6 Gsps，每个采样点持续时间为167 皮秒(6 GS/s)。
在FPGA平台下，每个时钟周期对应16个采样点， 在FPGA平台下，每个时钟周期对应16个采样点，
数据更新率为 4 GSps，每个采样点持续时间为250皮秒。 数据更新率为 4 GSps，每个采样点持续时间为250皮秒。
对于RO输出频率F（例如6.7 GHz），在本振为5.5GHz本振频率下， 对于EXC输出频率F（例如6.7 GHz），在本振为5.5GHz本振频率下，
则存储区描绘的基带波形频率为1.2 GHz ，等于F（6.7 GHz）-本振（5.5 GHz）。 则存储区描绘的基带波形频率为1.2 GHz ，等于F（6.7 GHz）-本振（5.5 GHz）。
波形仓库的容量为128 KB，在FPGA平台和ASIC平台下最大分别支持16 us和10 us波形输出。 波形仓库的容量为128 KB，在FPGA平台和ASIC平台下最大分别支持16 us和10 us波形输出。
## 3.5 模拟调理电路 ## 4.5 模拟调理电路
来自读出基带板输出端口的中频信号需要经过前端模拟电路处理后才能够被发送到量子芯片。 来自读出基带板输出端口的中频信号需要经过前端模拟电路处理后才能够被发送到量子芯片。
前端模拟调理电路包括增益和本振，这里需要注意同一个混频板上四个通道上下变频使用同一个本振信号。 前端模拟调理电路包括增益和本振，这里需要注意同一个混频板上四个通道上下变频使用同一个本振信号。
目前ez-Q 2.5 FPGA平台硬件暂不支持变频增益设置。 目前ez-Q 2.5 FPGA平台硬件暂不支持变频增益设置。
@ -179,10 +217,10 @@ ASIC平台下，每个时钟周期对应8个采样点，
|:-:|:-:| |:-:|:-:|
|lo_freq|变频本振频率设置| |lo_freq|变频本振频率设置|
# 4. 处理器Pump编程模型 # 5. 处理器Pump编程模型
对处理器Pump通道的编程包括模拟电路配置项和使能配置项。模拟电路用于将Pump通道配置输出一个指定功率和频率的微波信号，而使能配置项用于控制微波信号的实时开关。 对处理器Pump通道的编程包括模拟电路配置项和使能配置项。模拟电路用于将Pump通道配置输出一个指定功率和频率的微波信号，而使能配置项用于控制微波信号的实时开关。
## 4.1 模拟配置项定义 ## 5.1 模拟配置项定义
Pump输出时，需要使能输出并配置好输出频率和功率，以下是具体配置项。 Pump输出时，需要使能输出并配置好输出频率和功率，以下是具体配置项。
|配置名|描述| |配置名|描述|
|:-|:-| |:-|:-|
@ -190,5 +228,6 @@ Pump输出时，需要使能输出并配置好输出频率和功率，以下是
|pump_power|pump信号输出功率| |pump_power|pump信号输出功率|
|pump_enable|pump信号输出使能| |pump_enable|pump信号输出使能|
## 4.2 输出使能配置项定义 ## 5.2 输出使能配置项定义
Pump通道的输出使能配置采用处理器RI-Pump通道编程模型，其寄存器控制和码字控制参考处理器RI-Pump编程模型，这里不再赘述。 Pump通道的输出使能配置采用处理器EXC-Pump通道编程模型，
其寄存器控制和码字控制参考处理器EXC-Pump编程模型，这里不再赘述。