FPGA在高速互連中的應(yīng)用

　　在技術(shù)發(fā)展的進程中，某些出現(xiàn)的里程碑式技術(shù)甚至引起了發(fā)展方向的全盤改變。最初常用的并行打印機端口現(xiàn)在幾乎已經(jīng)絕跡了。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以8/16/32位并行總線的方式實現(xiàn)硅器件和存儲器之間的互連。傳統(tǒng)的系統(tǒng)背板會定義寬度達64位的并線總線。由于用戶對更高保真度多媒體體驗的需求不斷提升，導(dǎo)致數(shù)據(jù)率不斷提高，系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的要求呈現(xiàn)幾何級數(shù)的增長。不過，增加并行總線的寬度和時鐘的頻率并不是長期可行的解決方案，因為這種方法本身已經(jīng)達到了某些技術(shù)死角，主要會碰到的問題包括PCB的空間限制、信號噪聲、信號完整性和避免信號互相干擾、布線長度、建立和保持時間(setup & hold time) 的要求以及電磁輻射(EMI) 等。

　　如今，從板上器件之間到嵌入式系統(tǒng)和外部的接口，許多開發(fā)都采用高速互連，如RapidIO、XAUI、USB和HDMI等等。

　　高速串行互連是標志并行數(shù)據(jù)總線向串行總線轉(zhuǎn)變的技術(shù)里程碑，這種技術(shù)是減少設(shè)計師面臨的信號阻塞問題的方法。這種轉(zhuǎn)變是由業(yè)界對系統(tǒng)成本和系統(tǒng)擴展能力的要求所推動的。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展和芯片尺寸的縮小，用速率達數(shù)千兆位的高速串行互連來取代傳統(tǒng)的并行結(jié)構(gòu)變得簡單易行。

　　技術(shù)發(fā)展

　　低壓差分信號技術(shù)(LVDS) 是隱含在許多高速串行互聯(lián)標準定義后面的核心電子信號技術(shù)。當數(shù)據(jù)率高于3Gbps時，電流模式邏輯 (CML) 和低壓正射極耦合邏輯(LVPECL) 是關(guān)鍵技術(shù)。

　　功耗和數(shù)據(jù)率是取舍各種信號技術(shù)方法的關(guān)鍵因素。

　　為進一步降低信令引腳的數(shù)量和信號布線的長度，從而降低電路板的設(shè)計復(fù)雜程度，時鐘被嵌入到了數(shù)據(jù)中。在接收端，需要對時鐘數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，這種方法已經(jīng)發(fā)展成熟并被許多串行通信系統(tǒng)所廣泛采用。

　　此外，為提高抗噪能力和共模抑制能力，LVDS信號技術(shù)大多采用交流耦合。這就需要直流平衡線路編碼方案并保持有足夠的切換用于時鐘恢復(fù)。我們采用IBM開發(fā)的8b/10b編碼方案或類似的方案，將8位字轉(zhuǎn)化成10位的符號并最終用于傳輸。8b/10b編碼還包括用于同步的特殊控制字符(被稱為“K字符”) 。

　　高速串行接口通常用于各種芯片之間的接口、背板的互連以及設(shè)備與設(shè)備的連接。以下是被廣泛采用的一些串行互連協(xié)議：

　　芯片到芯片/背板串行互連：

　　XAUI

　　Rapid I/O

　　SATA

　　PCIe

　　CPRI (控制設(shè)計和基站間的3G通信協(xié)議)

　　硬件機箱設(shè)備與設(shè)備的串行電纜接口：

　　HDMI, DVI, 顯示端口

　　USB

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　　FPGA在數(shù)千兆位開發(fā)中的應(yīng)用和設(shè)計挑戰(zhàn)

　　高速串行協(xié)議開發(fā)的進展迅速，實現(xiàn)可靠設(shè)計解決方案成為設(shè)計師面對的挑戰(zhàn)，因此一種能方便進行設(shè)計變動、測試和調(diào)試的平臺能有效幫助客戶驗證設(shè)計以及盡快將產(chǎn)品投放市場。Xilinx的Virtex系列FPGA 帶有嵌入式RocketIO收發(fā)器硬內(nèi)核，從而具備了這種靈活性。這種器件在一片器件中集成了最多24個RocketIO，能實現(xiàn)內(nèi)部通道綁定的多通道方式，也可以實現(xiàn)去失真。

　　利用Rocket I/O內(nèi)核在信號強度、信號預(yù)加重/去加重和數(shù)控阻抗方面的可編程性，很容易實現(xiàn)不同的I/O標準。利用FPGA來實現(xiàn)還可以在FPGA結(jié)構(gòu)內(nèi)部很快實現(xiàn)標準協(xié)議。高速接口意味著器件內(nèi)有大量需要處理的數(shù)據(jù)，而在FPGA內(nèi)部很容易實現(xiàn)并行處理結(jié)構(gòu)。我們相信，由于FPGA的成本已經(jīng)開始下降且FPGA對于不斷發(fā)展的串行協(xié)議標準有更良好的適應(yīng)性，將有越來越多應(yīng)用采用FPGA而不是ASSP來進行接口標準的處理。

　　如同高速網(wǎng)絡(luò)交換和采用多處理器結(jié)構(gòu)的超級計算機一樣，在多FPGA的設(shè)計中千兆位收發(fā)器的采用是必然的。帶有RocketIO收發(fā)器的FPGA會成為連接處理器矩陣和FPGA的唯一互連選擇，以確保整個板上處理器矩陣間的數(shù)據(jù)吞吐能力。

　　當實現(xiàn)高速串行連接時，不可避免地會碰到傳輸線的影響和信號完整性問題。這些都是高速互連設(shè)計中必須小心處理的難題。

　　時鐘源&時鐘抖動

　　串行數(shù)據(jù)抖動：

　　總抖動

　　隨機抖動

　　確定性抖動

　　信號調(diào)理特性

　　電纜和PCB布線中的介質(zhì)損耗

　　預(yù)加重和去加重驅(qū)動器(頻率選擇性放大器和衰減器)

　　均衡(無源和有源均衡)

　　下面是一個通用數(shù)千兆位串行互連的實現(xiàn)框圖及相關(guān)要求。

　　調(diào)試工具

　　要提供一個完整可靠的解決方案，在設(shè)計調(diào)試方面的專業(yè)經(jīng)驗和效率都至關(guān)重要。設(shè)計人員通常需要注意板級的信號完整性，這也往往是容易出現(xiàn)問題的地方。千兆位設(shè)計需要專門的設(shè)備來捕獲板上的高速串行信號。所以在進行電路板設(shè)計時預(yù)留的一些方便信號探針附著的測試點，以確保被測試單元在考慮負載和被施加干擾時能切實捕獲信號。

　　要分析速度高達3Ghz (例如PCIe，XAUI等)的串行協(xié)議，需要采樣速度20 Gs /秒以上的6Gh或更高速的數(shù)字信號分析裝置。這種范圍的儀器通常能分析和生成眼圖(Eye-Diagram)、誤碼率“澡盆”(bathtub)曲線圖、進行抖動分析和捕獲各種躍遷瞬間。

　　我們使用FPGA這類可編程器件的好處之一(由于其可編程能力)是可以用它來產(chǎn)生測試信號并能象信號分析器一樣來捕獲和分析片上的信號。這就能斷開板級信號通路進行鏈路性能測試。Xilinx的Chipscope Pro SerialIO 工具套件中已經(jīng)包括了IBERT(內(nèi)部誤碼率測試)。這就象嵌入在FPGA中的一種高速串行數(shù)據(jù)分析數(shù)字示波器。這種非常有用的方法很方便在信號的端點進行板級信號完整性分析。

　　至于在Xilinx FPGA構(gòu)造內(nèi)實現(xiàn)的應(yīng)用設(shè)計，使用ChipScope Pro Analyzer工具可以繼續(xù)進行可視化的設(shè)計模塊調(diào)試。

　　串行互連的未來

　　高速千兆位互連必然會成為今后芯片間(chip-to-chip)、電路板間(board-to-board) 或設(shè)備間(box-to-box) 通信的發(fā)展方向。收縮技術(shù)(Shrinking technology) 提高了數(shù)據(jù)處理的速度。更高的處理速度意味著大吞吐量數(shù)據(jù)設(shè)備需要讀入多得多的數(shù)據(jù)并且會有巨量處理后的輸出數(shù)據(jù)噴涌而出。同時，隨著芯片因工藝的提升而進一步縮小，在芯片中能有效地實現(xiàn)可以作為高速串行干線連接網(wǎng)關(guān)的高速串行解串器(SERDEs)和驅(qū)動器。

　　差分信號技術(shù)會繼續(xù)向驅(qū)動高達10Gbps及以上單線數(shù)據(jù)傳輸率的方向發(fā)展。芯片互連很快會取代并行接口，串行接口會成為普遍采用的芯片間接口。存儲器(DRAM或SRAM) 將通過高速串行存儲器接口來連接。

　　在電路板設(shè)計和布局時，設(shè)計人員會優(yōu)先考慮信號對的路線安排和如何確保信號的完整性，而不是并行總線的布線位置分配。PCB板布局設(shè)計工程師必須了解微波傳輸帶和帶狀線的信號完整性以及如何實現(xiàn)信號完整性的仿真。PCB板設(shè)計人員必須具備高頻或RF設(shè)計領(lǐng)域的知識和特殊技巧。

　　如同早期TTL向LVCMOS電平轉(zhuǎn)變時的情況一樣，可能會被制訂一個商定的標準，以統(tǒng)一芯片間高速串行互連的標準。這很像開發(fā)一個板上的網(wǎng)絡(luò)，在不同芯片中提供了一個即插即用的接口。這種方法的好處是可以采用更少引腳數(shù)的封裝，從而減小封裝尺寸，降低封裝成本，最終降低器件成本。

　　當所有這一切都被充分定義和開發(fā)后，F(xiàn)PGA將成為快速驗證、采納某種標準和將最新的串行互連協(xié)議生產(chǎn)化及實用化的可編程平臺。