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Abhijit Athavale
Abhijit Athavale是Xilinx公司連接功能解決方案部市場(chǎng)營銷經(jīng)理,其職責(zé)包括為公司的高速串行和并行連接功能產(chǎn)品完成戰(zhàn)略開發(fā)、產(chǎn)品定位和營銷計(jì)劃。自1995年加入Xilinx以來,他擔(dān)任過營銷、應(yīng)用和軟件工程方面的多種職務(wù)。之前,Athavale曾任Meltron公司研發(fā)工程師之職,主要設(shè)計(jì)通信產(chǎn)品。他擁有印度旁尼大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和德克薩斯農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。他是一名很有造詣的演說家和作家,發(fā)表了數(shù)篇論文。
I/O性能極限輸入/輸出( I/O)在計(jì)算機(jī)和工業(yè)應(yīng)用中一直扮演著關(guān)鍵角色。但是,隨著信號(hào)處理越來越復(fù)雜,I/O通信會(huì)變得不可靠。在早期的并行I/O總線中,接口的數(shù)據(jù)對(duì)齊問題影響著與外部設(shè)備的有效通信。并且,隨著更高的傳輸速度在數(shù)字設(shè)計(jì)中日漸普及,對(duì)信號(hào)延遲的管理也變得困難重重。
針對(duì)I/O的數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案數(shù)字電路設(shè)計(jì)者采用了一系列方法來提高信號(hào)速度和消除I/O問題。例如,采用差分信號(hào)處理來提高芯片間的通信速度。信號(hào)同步、源同步和自同步之類的設(shè)計(jì)方法改善了內(nèi)部IC(集成電路)通信,在滿足計(jì)算機(jī)行業(yè)所需速度的前提下,提供了可靠的輸入/輸出。
千兆位級(jí)串行技術(shù)介紹圖1-1為典型的數(shù)字信號(hào)。
注意圖中列出的時(shí)間測(cè)量值:
TR = 20 ps
TF = 20 ps
TWIDTH = 0.10 ns
這些值描繪出了一個(gè)變化很快的波形。圖1-2添加了作為參考的歷史信號(hào),以便說明該波形的變化有多快 。
大多數(shù)信號(hào)的上升時(shí)間甚至不能在這個(gè)信號(hào)的五個(gè)比特周期內(nèi)結(jié)束。那么,為什么要討論這個(gè)信號(hào)呢?因?yàn)樗砹藬?shù)字 I/O 領(lǐng)域最熱門的潮流——千兆位級(jí)串行通信。
這類信號(hào)在市場(chǎng)上引起軒然大波。它被廣泛采用,從局域網(wǎng)( LAN)設(shè)備到尖端醫(yī)療成像設(shè)備,再到先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù),不一而足。千兆位級(jí)信號(hào)迅速成為延伸信息化時(shí)代的關(guān)鍵因素。為了解這一飛速發(fā)展的科技進(jìn)步技術(shù),讓我們首先回顧一下I/O設(shè)計(jì)的歷史。
設(shè)計(jì)考慮
通常設(shè)計(jì)工程師都處于進(jìn)退兩難的境地。一方面,他希望能堅(jiān)持使用已經(jīng)過驗(yàn)證的、可靠的解決方案,因?yàn)檫@些方案的結(jié)果可靠并能夠預(yù)見。另一方面,他也必須努力改進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)性能,如:數(shù)據(jù)流、引腳數(shù)、電磁干擾(EMI)、成本和背板效率等。那么,他會(huì)考慮使用千兆位串行輸入/輸出(I/O)嗎?
千兆位串行I/O的優(yōu)勢(shì)
千兆位串行I/O的主要優(yōu)勢(shì)是什么?答案是:速度。在從片內(nèi)/片外、板內(nèi)/板外或盒內(nèi)/盒外獲取數(shù)據(jù)時(shí),沒有什么技術(shù)可以超過高速串行鏈路。這種技術(shù)的線速范圍為1Gb/s~12Gb/s,有效負(fù)載范圍為0.8Gb~10Gb,因此可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳送。由于引腳數(shù)較少、沒有大量的同時(shí)開關(guān)輸出(SSO)問題、 EMI較低且成本較低,所以高速串行就成為了理所當(dāng)然的選擇。當(dāng)需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的快速傳輸時(shí),使用千兆位級(jí)收發(fā)器(MGT)是個(gè)不錯(cuò)的方法。讓我們首先分析一下千兆位串行I/O的優(yōu)勢(shì)。
MGT:千兆位級(jí)收發(fā)器——千兆位級(jí)串行器/解串器(SERDES)的別名。接收并行數(shù)據(jù),并允許在串行鏈路上進(jìn)行大帶寬數(shù)據(jù)傳輸。
最大數(shù)據(jù)流
某些大型可編程邏輯器件具有20個(gè)或更多個(gè)10Gb串行收發(fā)器,可以實(shí)現(xiàn)總帶寬為200Gb/s的輸入和輸出。不過那只是極端情況,我們來看一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,它向我們展示了串行I/O的速度是如何幫助系統(tǒng)架構(gòu)師、電路板設(shè)計(jì)師和邏輯設(shè)計(jì)師的。
缺點(diǎn)是什么?
在我們認(rèn)為千兆位級(jí)串行I/O技術(shù)出色的近乎不真實(shí)之前,來看看它的弊端吧。設(shè)計(jì)中,首先我 們必須密切注意信號(hào)完整性問題。例如,有個(gè)供應(yīng)商報(bào)告說,他們第一次試圖將高速、千兆位級(jí)串行設(shè)計(jì)用于某種特定應(yīng)用時(shí),失敗率為90%。為了提高成功率,我們可能需要進(jìn)行模擬仿真,并采用更復(fù)雜的新型旁路電路。事實(shí)上,我們甚至需要對(duì)旁路電路進(jìn)行仿真和建模。而且,阻抗控制的 PC(印刷電路)板、高速連接器和電纜的費(fèi)用較高。我們必須處理數(shù)字仿真中的復(fù)雜性和時(shí)基較小的問題。并且,在利用預(yù)設(shè)協(xié)議的時(shí)候,必須為集成過程計(jì)劃時(shí)間,并且為協(xié)議的開銷安排額外的邏輯電路或 CPU 時(shí)鐘周期。
千兆位I/O用于何處?
起初,千兆位級(jí)串行器/解串器(SERDES)僅局限于用在電信行業(yè)和少數(shù)縫隙市場(chǎng)(如廣播視頻)。如今, MGT應(yīng)用出現(xiàn)在電子行業(yè)的各個(gè)角落——軍事、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)、視頻、通信等等。
MGT也可以用于背板或機(jī)箱之間的PCB上。對(duì)于電子行業(yè)的發(fā)展前景而言, MGT至關(guān)重要。下面是采用千兆位級(jí)SERDES的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)示例。
? 光纖通道(FC)
? PCI Express
? RapidIO串行
? 先進(jìn)交換互連(Advanced Switching Interface)
? 串行ATA
? 1-Gb以太網(wǎng)
? 10-Gb以太網(wǎng)(XAUI)
? Infiniband 1X、 4X、 12X
芯片到芯片SERDES最初用于盒間通信。但是,因?yàn)樗艹錾靥幚硗粔K電路板上的芯片間通信,因而在市場(chǎng)上引起了轟動(dòng)。先前,芯片間通信僅采用并行技術(shù)。用于串行化和解串行化的邏輯門數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了因引腳數(shù)目減少而節(jié)省的邏輯門數(shù)量。
但是,采用深亞微米結(jié)構(gòu),就可以在極小的芯片上獲得數(shù)量驚人的邏輯門電路,從而使SERDES也能夠以極低的芯片成本實(shí)現(xiàn)。除此之外,對(duì)I/O帶寬日益增長(zhǎng)的需求使得SERDES迅速成為進(jìn)行芯片間大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮侠磉x擇。使用SERDES進(jìn)行芯片間通信具有如下好處:
? 引腳數(shù):更小、更經(jīng)濟(jì)的封裝。
? 引腳數(shù):PCB層數(shù)減少。
? 更小的封裝:電路板更小、更經(jīng)濟(jì);設(shè)計(jì)更緊湊。
? SSO:較少的引腳和差分信令消除了SSO問題。
? 功耗:通常,高速串行鏈路的功耗要小于并行鏈路。這一特點(diǎn)在一些有源偏置/終端的高速并行標(biāo)準(zhǔn),例如高速晶體管邏輯(HSTL)中尤為明顯。
? 內(nèi)含控制線路:通常,并行接口除了數(shù)據(jù)線外,還需要一些控制線和使能線。大多數(shù)協(xié)議下使能和控制性能都可以嵌入到串行鏈路中。
還是老規(guī)矩,原文很長(zhǎng) 很長(zhǎng) 很長(zhǎng)。。。。
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審核編輯:黃飛
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原文標(biāo)題:輕松實(shí)現(xiàn)高速串行I_O,有助于理解GTP/GTX工作原理
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