基于LVDS差分接口之IOSERDES的高速串行通信

項(xiàng)目涉及5片FPGA之間的多機(jī)通信，1片主FPGA，4片從FPGA，5片F(xiàn)PGA采用星形連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4個從機(jī)與主機(jī)之間通信接口采用基于LVDS_33的差分IO接口標(biāo)準(zhǔn)，以滿足高速率，抗干擾，chip-to-chip的數(shù)據(jù)流傳輸架構(gòu)。各從機(jī)與主機(jī)通信時，采用全雙工傳輸通信模式，收發(fā)雙方信號線包括時鐘信號tx_clk+，tx_clk-，rx_clk +，rx_clk-，差分?jǐn)?shù)據(jù)信號tx_data+，tx_data -，rx_data +，rx_data -，共計4組差分通信鏈路。由于從主FPGA待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通常不是單比特流，常見的數(shù)據(jù)流位寬為8bits或16bits，此時有以下兩種通信方案。

方法1：采用基于源同步的1路差分時鐘信號線和8路并行數(shù)據(jù)信號線來傳輸8bits位寬的數(shù)據(jù)流從理論上是可行的。該方法不足之處為：（1）當(dāng)對數(shù)據(jù)流傳輸帶寬提出更高要求時，即要求時鐘信號速率更快以滿足高速通信時，就可能對出現(xiàn)8路并行信號線之間相位不同步的問題；（2）需要消耗的FPGA管腳資源更多，布線要求也更高。

方法2：將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，然后串行數(shù)據(jù)在接收端整合為之前發(fā)送的并行數(shù)據(jù)。即在發(fā)送端，將8bits的數(shù)據(jù)流通過OSERDES單元轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流bit0，bit1，... ，bit7，通過1路差分信號線輸出給接收端；同理，接收端采用相反的傳輸原理，ISERDES單元將串行數(shù)據(jù)流bit0，bit1，... ，bit7通過8個移位寄存器緩存后整合為8位寬的數(shù)據(jù)流，完成串并轉(zhuǎn)換。基于LVDS的差分IO接口支持的傳輸速率高達(dá)1.9Gb/s，故滿足常用的高速串行數(shù)據(jù)通信。

1 設(shè)計過程

項(xiàng)目使用的芯片型號為Spartan6的xc6slx16-csg324，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流位寬為8位，故IOSERDES的串并因子為8:1，F(xiàn)PGA的IOB集成了IOSERDES軟核，故可以直接調(diào)用和自定義即可完成對ISERDES、OSERDES兩個IP核的配置。

關(guān)于對ISERDES、OSERDES的相關(guān)配置可參考以下三個個用戶手冊。

UG382 — Spartan6 FPGA Clock Source；

UG381 — Spartan6 FPGA SelectIO Source；

XAPP1064 — source synchronize serialization and deserialization。

項(xiàng)目中使用的OSERDES配置參數(shù)如下圖所示。

2 設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)

（1）Spartan6 FPGA芯片僅bank0和bank2支持OSERDES，其他bank不支持；對于ISERDES，所有bank均支持。如果忽略O(shè)SERDES對bank的限制，很容易造成在設(shè)計原理圖時，出現(xiàn)LVDS的IO接口管腳分配問題。

（2）OSERDES數(shù)據(jù)流輸出時鐘信號tx_clk的構(gòu)建。數(shù)據(jù)流輸出時鐘信號tx_clk分為兩種，分別基于BUFIO2和基于PLL來實(shí)現(xiàn)，詳見下文。

a)基于BUFIO2的SDR時鐘信號

由于上圖可知，將圖中ISERDES用OSERDES等價替換即可。BUFIO2的IOCLK為數(shù)據(jù)流發(fā)送時鐘，CLKDIV為FPGA內(nèi)部控制并行數(shù)據(jù)輸送給OSERDES的邏輯時鐘，二者對應(yīng)關(guān)系為：IOCLK = DIVCLK * DataWidth。例如，現(xiàn)在數(shù)據(jù)位寬為8，要求OSERDES串行通信速率為400Mbps，則IOCLK 為400MHz，DIVCLK經(jīng)過BUFIO2以8分頻后為50MHz，則外部晶振輸入時鐘CLOCK頻率也為400MHz。該方法優(yōu)缺點(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)流輸出時鐘信號構(gòu)造簡單，無需PLL倍頻等；

不足：對外部晶振要求過高，例如要求400M甚至更高頻率的外部晶振是不太實(shí)際的，故需要借助PLL/DCM時鐘單元來實(shí)現(xiàn)。

b)基于PLL和BUFPLL的SDR時鐘信號

由上圖可知，方法二增加了PLL和BUFPLL時鐘單元，CLKDIV和IOCLK時鐘構(gòu)建依據(jù)上圖即可完成，注意點(diǎn)是PLL_BASE的CLKOUT0輸出沒有BUFG做緩沖。例如，同樣要求OSERDES串行通信速率為400Mbps，外部晶振CLOCK可以為50MHz，通過PLL倍頻，CLKOUT0（8倍頻）輸出為400MHz，用于IOCLK時鐘，CLKOUT2直接作為CLKDIV時鐘源，即可滿足要求。

優(yōu)點(diǎn)：外部晶振頻率要求低，且通過PLL倍頻操作，IOCLK方便工作于更高頻率；

不足：需要借助PLL/DCM時鐘單元來實(shí)現(xiàn)。

（3）ISERDES數(shù)據(jù)流輸入對BITSLIP信號的控制。

在ISERDES數(shù)據(jù)流接收端，提供一個Bitslip信號用于將接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行位對齊。例如發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)TX_Data為8'b0110_0010，接收端初始接收到的數(shù)據(jù)為RX_Data為8'b0011_0001，通過使能Bitslip信號（Bitslip上升沿跳變有效）一次，接收端數(shù)據(jù)流向左移動一位，RX_Data則由8'b0011_0001變?yōu)?'b0110_0010，實(shí)現(xiàn)了接收端數(shù)據(jù)對齊操作。由于發(fā)送端和接收端相位關(guān)系未知，通常情況下，Bitslip需要使能有效的次數(shù)也不確定，但移位操作次數(shù)不會超過數(shù)據(jù)的位寬，否則就是通信鏈路出現(xiàn)故障。

上圖是對Bitslip信號的描述，重點(diǎn)關(guān)注：Bitslip信號從有效到無效最小時間間隔至少為1個CLKDIV，經(jīng)過實(shí)測，項(xiàng)目中使用的間隔為4個CLKDIV，當(dāng)使用1個CLKDIV時間間隔時，接收端數(shù)據(jù)對齊無法實(shí)現(xiàn)。這個細(xì)節(jié)也影響調(diào)試結(jié)果和調(diào)試進(jìn)度。

此外，對于ISERDES數(shù)據(jù)流接收端，由于差分?jǐn)?shù)據(jù)信號和差分時鐘均有OSERDES端提供，該差分時鐘rx_clk+/-頻率等于數(shù)據(jù)流傳輸速率，故接收端可以采用基于BUFIO2對rx_clk+/-進(jìn)行時鐘緩沖處理，無需使用PLL等時鐘單元，即可得到IOCLK和CLKDIV。

3 設(shè)計難點(diǎn)

在整個設(shè)計中，有很多需要注意的設(shè)計要點(diǎn)，前文其實(shí)已有所提及。例如OSERDES僅支持bank0和bank2；IOSERDES的IOCLK和CLKDIV的時鐘構(gòu)建和合理選擇；Bitslip數(shù)據(jù)流對齊控制信號的操作細(xì)節(jié)。這些都會影響設(shè)計和調(diào)試結(jié)果。除此之外，遇到過的一個最頭疼的設(shè)計難點(diǎn)如下。

Bufpll mapping error：Constrain Resolved NO placeable site for bufpll。

為避免錯誤，項(xiàng)目中所有差分時鐘信號和數(shù)據(jù)信號管腳均分配在bank2。當(dāng)對OSERDES的IOCLK和CLKDIV的時鐘信號構(gòu)建完畢后（外部晶振輸入管腳為V10，位于bank2，頻率為50MHz），進(jìn)行Implement Design步驟，但是編譯結(jié)果出現(xiàn)錯誤提示：Constrain Resolved NO placeable site for bufpll。

由圖示錯誤提示可知，BUFPLL這個instance也需要設(shè)置為bank2，才能將BUFPLL和IOB的其他parts，如oserdes放置在同一個bank中，故需要對BUFPLL進(jìn)行位置限制。

該FPGA芯片位于bank2的BUFPLL有兩個：BUFPLL_X1Y0，BUFPLL_X1Y1，對應(yīng)的PLL_ADV也有兩個PLL_ADV_X0Y0，PLL_ADV_X0Y1，因?yàn)锽UFPLL是用于PLL的CLKOUTx輸出緩沖的。

故在ucf添加約束如下：

INST ParaToSerial/bufpll_inst LOC = BUFPLL_X1Y0;

INST clk_struc/pll_base_inst LOC = PLL_ADV_X0Y0;

本項(xiàng)目中單獨(dú)對BUFPLL進(jìn)行位置約束還不能解決問題，于是又進(jìn)一步對pll_base該instance進(jìn)行相同的位置約束。此外，發(fā)現(xiàn)一個疑點(diǎn)，將約束改為

INST ParaToSerial/bufpll_inst LOC = BUFPLL_X1Y0;

INST clk_struc/pll_base_inst LOC = PLL_ADV_X0Y1;（此處更改）

則implement編譯時依舊還是會出現(xiàn)相同錯誤，這個原因我現(xiàn)在也解釋不了，歡迎知道的網(wǎng)友熱心指導(dǎo)，謝謝！??！

備注：能順利解決上述bufpll mapping error，得到了下面博文的啟發(fā)，在此非常感謝該網(wǎng)友的思路分享。

4 設(shè)計結(jié)果

項(xiàng)目對基于LVDS差分接口的IOSERDES高速串行數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了收發(fā)測試。數(shù)據(jù)流傳輸速率為625Mbps，測試碼采用FPGA發(fā)送端內(nèi)部產(chǎn)生的0~255的遞增序列，數(shù)據(jù)流同步碼或前導(dǎo)碼為0x5a，待發(fā)送的并行數(shù)據(jù)位寬為8位。測試結(jié)果見下圖所示。

由上圖可知，發(fā)送端和接收端經(jīng)過3次Bitslip完成數(shù)據(jù)流的位對齊操作，當(dāng)數(shù)據(jù)對齊之后，發(fā)送端開始輸出0~255的測試遞增序列，接收端經(jīng)過4個時鐘延遲后，正確的接收到數(shù)據(jù)流。

此外，為什么接收端與發(fā)送端數(shù)據(jù)流傳輸間隔為4個時鐘，而不是其他？ 原因?yàn)轫?xiàng)目配置ISERDES工作模式為retimed，接收端要經(jīng)過4級流水線緩沖器后，才將數(shù)據(jù)接收到的數(shù)據(jù)輸送給FPGA內(nèi)部邏輯，故有4個時鐘的延遲。如果采用NETWORKING_PIPELINED Mode，則只經(jīng)過3級流水線寄存器，故只有3個時鐘延遲，測試結(jié)果見下圖。

補(bǔ)充說明：

（1）LVDS信號輸入端需要進(jìn)行阻抗匹配，阻值通常為100Ω；該匹配電阻可以外接或者開啟FPGA內(nèi)部片上輸入電阻，屬性設(shè)置為DIFF_TERM = "TRUE";

（2）硬件設(shè)計時，差分信號線走等長線，設(shè)置該走線阻抗為50Ω；可以在差分信號線兩側(cè)采用平行GND走線進(jìn)行屏蔽，減少差分信號線受到的干擾。

（3）基于該LVDS差分IO接口的高速串行通信尚未考慮對傳輸數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，如8b10b編碼。采用不同的編碼方式可以應(yīng)用于不同的場合，且可以提高通信鏈路的穩(wěn)定性。

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