基于Vir-tex-4 FX系列FPGA芯片實現(xiàn)高速通信

目前，多數(shù)計算機、嵌入式處理設備和通信設備都采用并行總線，但隨著芯片性能不斷提升和系統(tǒng)越來越復雜，數(shù)據(jù)傳輸帶寬已成為提高系統(tǒng)性能的瓶頸。雖然增大并行總線寬度可以提高芯片與芯片之間、背板與背板之間的數(shù)據(jù)吞吐量，但是數(shù)據(jù)線的增多和傳輸速率的加快會使PCB布線的難度提高，并且增加了信號延時和時鐘相位偏移。高速串行互連技術(shù)成為提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬的有效解決途徑。

新的串行總線技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如新推出的串行總線標準有PCI-express、RapidI（）、10Gigabit Ethernet Attachment Unit Interface（XAUI）、HyperTransport、Infini-Band、SATA等。新標準的快速發(fā)展及網(wǎng)絡與通信領(lǐng)域不斷增強的數(shù)字統(tǒng)一趨勢，對系統(tǒng)設計人員橋接這些標準和適應不斷演化的標準提出了新的挑戰(zhàn)，需要具有新一代系統(tǒng)集成和靈活性的可編程解決方案。Xilinx公司的Vir-tex-4 FX系列FPGA芯片內(nèi)置了RocketIO收發(fā)器，能夠提供622 Mb／s～6.5 Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且支持多種高速串行通信協(xié)議，可以幫助設計人員方便、靈活、可靠地實現(xiàn)高速通信。

1 設計要素

1.1 時 鐘

在Virtex-4 FX系列FPGA中每個RocketIO Multi-Gigabit Transceiver（MGT）有多個時鐘輸入。其中，參考時鐘有3種，根據(jù)不同的傳輸速率選擇不同的參考時鐘。GREFCLK適用于單個MGT組且數(shù)據(jù)傳輸率低于1 Gb／s的情況。REFCLK1和REFCLK2一般用于數(shù)據(jù)傳輸率高于1 Gb／s、低于6.5 Gb／s的情況。

時鐘精度和時鐘抖動是評價時鐘質(zhì)量的兩個重要指標。MGT模塊要求高精度的參考時鐘，MGT要求的時鐘精度為±350×10-6，MGT可容忍的輸入?yún)⒖紩r鐘抖動公差最大為40 ps，所以從DCM中出來的時鐘（大于±100ps）不能夠作為MGT的參考時鐘輸入。MGT的時鐘一般采用以下方案解決：從片外輸入的差分時鐘必須經(jīng)過 RocketIO模塊指定的差分時鐘引腳接入，然后經(jīng)過Rock-etIO模塊中的時鐘管理模塊GTllCLK_MGT轉(zhuǎn)化成單端時鐘，送到 REFCLK1或REFCLK2作為MGT的參考時鐘。

MGT模塊的輸出時鐘TXOUTCLK1、TXOUT-CLK2、RXRECCLK1、RXRECCLK2可以作為4個用戶使用的時鐘 TXUSRCLK、TXUSRCLK2、RXUSRCLK、RX-USRCLK2的時鐘源；也可以作為DCM模塊的輸入，從而生成用戶所需的特定頻率的時鐘，提供給系統(tǒng)其他模塊使用。參考時鐘的頻率由串行傳輸速率和時鐘參數(shù)設置來決定。表1是該實驗中關(guān)于時鐘參數(shù)的設置。

1.2 復 位

MGT模塊中的復位分為發(fā)送部分的復位和接收部分的復位。發(fā)送部分的復位主要包括TXPMARESET和TXPCSRESET；接收部分的復位主要包括RXPMARE-SET和RXPCSRESET。TXPMARESET復位用于復位PMA和重新初始化PMA功能。其引腳電平為高時，復位PLL控制邏輯和內(nèi)部的PMA分頻器，同時也使發(fā)送器PLL LOCK信號為低并且迫使TX PLL進行校驗。TXP-MARESET引腳電平為高至少要持續(xù)3個USRCLK時鐘周期。

當TXPCSRESET引腳電平為高時，TX PCS模塊被復位。TX PCS模塊包括：TX Fabric接口，8B／10B編碼器，10GBASE-R編碼器，TX緩沖器，64B／66B擾碼器和10GBASE-R自適應同步器。 TXPCSRESET復位與TXPMARESET復位是相互獨立，互不影響的。

TXPCSRESET復位的要求如下：

①在TXPCSRESET復位時，TXUSRCLK和PCS的TXCLK時鐘必須已經(jīng)保持穩(wěn)定，以便初始化發(fā)送緩沖器。

②TXPCSRESET引腳電平為高，至少要持續(xù)3個TXUSRCLK或TXUSRCLK2時鐘周期。

③在TXPCSRESET復位結(jié)束后，TX PCS模塊至少需要5個時鐘周期（以TXUSRCLK或TXUSRCLK2中最長的時鐘周期為準）來完成各個子模塊的復位。

圖1是發(fā)送部分的復位時序圖。接收部分的復位時序圖和復位要求與接收部分類似，請參見Xilinx公司技術(shù)文檔ug076.pdf。

2 MGT的模塊及原理介紹

發(fā)送的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過8B／10B編碼后，寫入發(fā)送端FIFO，然后轉(zhuǎn)換成串行差分數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收端接收到的串行差分信號首先經(jīng)過接收端緩沖，然后經(jīng)過串并轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過8B／10B解碼，寫入彈性緩沖，最后并行輸出。

2.1 8B／10B編解碼器

8B／10B編碼機制是由IBM公司開發(fā)的，已經(jīng)被廣泛采用。它是一種數(shù)值查找類型的編碼機制，可將8位的字符轉(zhuǎn)化為10位字符。轉(zhuǎn)化后的字符可以保證有足夠的跳變用于時鐘恢復。 8B／10B編碼具有“0”和“1”出現(xiàn)的概率相等，直流基線漂移小，低頻分量小，功率譜帶寬較窄，抖動小，以及能夠檢測輸入數(shù)據(jù)中的錯誤等許多優(yōu)點。

8B／10B編碼可以分為256個數(shù)據(jù)字符和12個控制字符。數(shù)據(jù)字符，標為D，用于傳輸數(shù)據(jù)；控制字符，標為K，用于傳輸控制序列。12個控制字符用于對齊、控制，以及將帶寬劃分為子通道。

2.2 comma字符檢測和對齊

Virtex-4 RRocketIO有可編程的逗號檢測，以便于實現(xiàn)10位字符的各種通信協(xié)議和檢測，通過對MCOMMA_10B_VALUE、 DEC_MCOMMA_DETECT、PCOMMA_10B_VALUE、DEC_PCOMMA_DETECT和COMMA_10B_MASK這些參數(shù)的設置，可以實現(xiàn)任意的8位或10位符號檢測。

接收器在輸入數(shù)據(jù)流中掃描搜尋comma字符。如果找到，解串器就調(diào)整序列邊界以匹配檢測到的comma字符序列，且掃描是連續(xù)進行的。一旦對齊確定，所有后續(xù)comma字符的對齊均已確定。在任意的序列組合里，comma字符序列必須是唯一的。常用的K字符是12個K字符中的一個或多個。由于 K28.1、K28.5、K28.7這些字符的頭7位都是1100000，這種比特序列模式只可以在這些控制字符中出現(xiàn)，因此，這些控制字符是非常理想的對齊序列。

2.3 時鐘修正

在時鐘／數(shù)據(jù)恢復電路的作用下，從接收的串行數(shù)據(jù)流中解出時鐘的頻率和相位，一般將它的20分頻時鐘作為恢復時鐘。在恢復時鐘作用下從串行數(shù)據(jù)經(jīng)過解串器產(chǎn)生并行數(shù)據(jù)作為8B／10B譯碼的輸入，譯碼后的數(shù)據(jù)進入16×52位的接收緩沖器。輸入緩沖器的輸人數(shù)據(jù)速率是由PCS RXCLK的頻率決定的，而從緩沖器讀取端輸出的數(shù)據(jù)速率是由RXUSRCLK的頻率決定的。由于兩個時鐘會有差異，所以需要進行時鐘修正。

時鐘修正的基本原理是：在發(fā)送端，當數(shù)據(jù)發(fā)送了一定的字節(jié)或數(shù)個數(shù)據(jù)包后，通過插入和發(fā)送一些特定的字節(jié)修正字符；在接收端，當接收到這些字符后會自動地丟棄或者重復來補償時鐘的差異。時鐘修正的核心工作是在比特流中搜尋特定的字符序列。

3 MGT的測試與驗證

本實驗是在XilinX公司的ML405評估板上進行的，使用2個MGT。其中，MGT1用來發(fā)送數(shù)據(jù)（通過mgt1_tx_n和mgt1_tx_p這對差分線），MGT0用于接收數(shù)據(jù)（通過mgt0_tx_n和mgt0_tx_p這對差分線）。使用串行ATA電纜（長約100 cm）將它們連接起來形成一個大環(huán)路，進行數(shù)據(jù)讀回測試。MGT驗證實驗的硬件框圖如圖2所示。

其中，gtll_init_tx模塊產(chǎn)生tx—pmareset、tx_pcsreset復位信號以及frame—gen模塊的復位信號；frame—gen模塊產(chǎn)生帶有comma字符的數(shù)據(jù)流，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)位寬為32位；gtll_init_rx模塊產(chǎn)生rx_pmareset、 rx_pcsreset復位信號以及frame_check模塊的復位信號；frame_check模塊用來將發(fā)送的數(shù)據(jù)與實際接收到的來自于MGT0的并行輸出端口的數(shù)據(jù)進行比較，如果檢測到不一致，則frame_check模塊的ERR_COUNT計數(shù)器就加1，通過讀取該計數(shù)器的值和記錄MGT工作的時間就可以計算出該系統(tǒng)中MGT的錯誤率。

假設MGT的錯誤率為δ，MGT的數(shù)據(jù)傳輸率為μ，MGT傳輸數(shù)據(jù)的有效時間為τ，ERR_COUNT計數(shù)器的計數(shù)值為E，則有：

實驗中測得，E=319，τ=3 600s，μ=3 Gb／s。將上述數(shù)值代入式（1），求得δ=2.957×10-11。通過取不同的時間τ，每個τ對應做多次實驗，可以得到δ的范圍為 ［2.752×10-11，3.168×10-11］。通過該實驗可以發(fā)現(xiàn)具MGT的可靠性比較高，可以滿足我們的工程需求，具有很高的實際使用價值。

結(jié) 語

目前，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸率的要求越來越高，高速串行互連技術(shù)由于將時鐘與數(shù)據(jù)合并進行傳輸，從而解決了高速并行數(shù)據(jù)傳輸過程中時鐘和數(shù)據(jù)的抖動問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了設計復雜性和成本，減少了引腳數(shù)量和PC板面積。Xilinx公司的Virtex-4 FX系列FPGA器件中所提供的用于實現(xiàn)高速串行互連的RocketIO IP核，具有使用方便、配置靈活、集成度高等優(yōu)點，將它用于解決高速串行數(shù)據(jù)傳輸問題，既簡化了設計，又提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，有很好的應用前景。

責任編輯：gt