分享我們必須知道的高速GTX技術(shù)

　　eSATA接口只有幾根線為什么那么快？連上網(wǎng)線顯示的1Gbps是不是很令人興奮！沒錯(cuò)他們都用了高速GTX技術(shù)，GTX全稱為Gigabit Transceiver，是為了滿足現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)龐大數(shù)據(jù)的高速、實(shí)時(shí)的傳輸，目前主要應(yīng)用在片間通信（兩片FPGA之間，F(xiàn)PGA與DSP之間等）、板間通信（電腦主板與交換機(jī)，硬盤與主板等）等。傳統(tǒng)的并并行傳輸技術(shù)存在抗干擾能力低，同步能力差，傳輸速率低和信號質(zhì)量差等問題。GTX目前的線速度范圍為1Gbps~12Gbps，有效負(fù)載范圍為0.8Gbps~10Gbps，目前GTX已經(jīng)應(yīng)用于光纖通道（FC），PCI Express，RapidIO，串行ATA，千兆以太網(wǎng)，萬兆以太網(wǎng)等，GTX技術(shù)已經(jīng)充斥我們周圍很久了，作為一個(gè)技術(shù)人員，你是不是該知道點(diǎn)關(guān)于高速GTX呢？

　　GTX線路實(shí)現(xiàn)

　　GTX收發(fā)器采用的是差分信號對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其中LVDS（Low Voltage Different Signal）和CML（Current Mode Logic）是常用的兩種差分信號標(biāo)準(zhǔn)。在普通單片機(jī)（如51單片機(jī)中）不包含差分接口，均是以地作為參考，差分信號時(shí)有兩根幾乎完全相同的線路來組成一對等值、反相信號，接收端通過比較兩端電壓差值來確定傳輸?shù)氖恰?”還是“1”，如果正參考電壓比負(fù)參考電壓低，則信號為高；如果負(fù)參考比正參考電壓高，則信號為低。因?yàn)榫€路上受到的噪聲干擾幾乎完全相同，在計(jì)算差值時(shí)相減從而達(dá)到抵消的效果，這就使得差分信號抗干擾能力特別強(qiáng)，高速傳輸時(shí)不易出錯(cuò)。如圖1所示為差分信號傳輸模式。

　　圖 1 差分傳輸

　　除了利用差分信號外，GTX采用自同步技術(shù)來解決時(shí)鐘同步問題。目前常用同步方式有系統(tǒng)同步，源同步和自同步。三種同步方式的結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)同步利用片外的晶振進(jìn)行同步，由于板間線路的長度不一致，以及片內(nèi)延遲不一致，在時(shí)鐘速度較高時(shí)可能存在較大誤差。源同步是在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘副本，這種設(shè)計(jì)需要更多的時(shí)鐘端口。自同步將時(shí)鐘包含在數(shù)據(jù)流中，從數(shù)據(jù)流中進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，不僅端口使用較少，而且不論是在高速還是低速，時(shí)鐘延遲與數(shù)據(jù)延遲都保持一致，可以保證采樣的正確性。

　　圖2 同步結(jié)構(gòu)

　　自同步接口主要包含三個(gè)模塊分別是并串轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘恢復(fù)。時(shí)鐘恢復(fù)是利用鎖相環(huán)（PLL）合成出一個(gè)與輸入串行信號的時(shí)鐘頻率一致的時(shí)鐘，供采集數(shù)據(jù)用。

　　GTX線路驅(qū)動器最重要的特性可能就是預(yù)加重的能力。預(yù)加重是在電平翻轉(zhuǎn)開始前的有意過量驅(qū)動。如果串行流包含多個(gè)比特位時(shí)間的相同數(shù)值數(shù)據(jù)，而其后跟著段比特位（1或2）時(shí)間的相反數(shù)據(jù)數(shù)值時(shí)，會發(fā)送符號間干擾。介質(zhì)（傳輸通道電容）在短時(shí)間過程中沒有足夠的充電時(shí)間，因此產(chǎn)生了較低的幅度。在符號間干擾的情況下，長時(shí)間的恒定值將通道中的等效電容完全的充電，在緊接著的相反數(shù)據(jù)值位時(shí)間內(nèi)無法反相補(bǔ)償。這樣就會導(dǎo)致相反數(shù)據(jù)的電壓值有可能不會被檢測到，如圖3所示。解決這種現(xiàn)象的方法是：轉(zhuǎn)變開始時(shí)加入過量驅(qū)動，而在任意的連續(xù)相同數(shù)值時(shí)間內(nèi)減少驅(qū)動量，減少驅(qū)動量的過程也稱作去加重。經(jīng)過預(yù)加重后，眼圖的睜開度將會得到極大改善。

　　圖 3 符號間干擾

　　GTX接口結(jié)構(gòu)

　　圖4為常用的串行GTX收發(fā)器發(fā)送和接收基本結(jié)構(gòu)框圖，發(fā)送通道由線路編碼器、發(fā)送緩沖器、并串轉(zhuǎn)換器等模塊組成，接收通道由串并轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘修正和通道綁定、線路譯碼、接收緩沖等模塊構(gòu)成。

　　并串轉(zhuǎn)換器：顧名思義就是講速率為y的n位寬并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成速率為n*y的串行數(shù)據(jù)。

　　發(fā)送緩沖器：在輸入數(shù)據(jù)發(fā)送之前，暫時(shí)保存數(shù)據(jù)。

　　線路編碼器：將數(shù)據(jù)編碼程適應(yīng)不同線路的格式。編碼器通常會消除長的無轉(zhuǎn)變的序列，同時(shí)還可以平衡數(shù)據(jù)中0、1的出現(xiàn)次數(shù)。常用的線路編碼機(jī)制為8B/10B編碼。

　　串并轉(zhuǎn)換器：與并串轉(zhuǎn)換器的功能相反，將速率為n*y的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成速率為y的n位寬并行數(shù)據(jù)。

　　時(shí)鐘修正和通道綁定：修正發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘之間的偏差，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多通道間時(shí)鐘歪斜的修正。

　　線路譯碼：將線路上的編碼數(shù)據(jù)分解成原始數(shù)據(jù)。

　　接收緩沖：在接收數(shù)據(jù)被提取之前，暫時(shí)保存數(shù)據(jù)。

　　圖4 GTX收發(fā)結(jié)構(gòu)

　　這里只是簡單的介紹了GTX一些知識，不過從以上內(nèi)容就可以大概知道GTX的底層是如何實(shí)現(xiàn)的，和上層的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其中的每一個(gè)部分都包含了很多的內(nèi)容，如果想深入了解，可以看一看High-Speed Serial IO Made Simple，里面詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)如何在PCB板上布線。希望本篇文章對你了解GTX有所幫助。