FPGA高速收發(fā)器的來源

本文主要講解的是FPGA高速收發(fā)器的來源，著重從三個方面解析，可能部分理解會存在有錯誤，想要不一致的可以來評論區(qū)交流哦。

01回顧其余接口

首先應(yīng)該了解這種接口出現(xiàn)的原因，為什么會有這種接口出現(xiàn)，就拿ADC芯片的接口舉例吧。

下圖是ad7606芯片的串行數(shù)據(jù)傳輸模式的時序圖，像這種采樣率較低，一般小于1MHz。一般使用spi這種低速接口即可，也是出現(xiàn)比較早的接口。

圖1 ad7606時序圖

下圖ad9226的時序圖，接口包含一根時鐘線CLOCK和一組數(shù)據(jù)線DATA OUT，每個時鐘傳輸一個數(shù)據(jù)，時鐘頻率最大可以達(dá)到65MHz。

圖2 ad9226時序圖

之后ADC芯片的采樣率進(jìn)一步提升，高于100MHz，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，將時鐘和數(shù)據(jù)都變?yōu)?strong>差分信號，增加抗干擾能力。如下圖是ads4225的LVDS接口時序圖。

圖3 ADS4225的LVDS接口時序圖

上述ad9226和ads4225的LVDS并行接口，時鐘線和數(shù)據(jù)線都要保證等長。

舉個例子，如下圖所示，在時鐘上升沿采集data的數(shù)據(jù)，由于data數(shù)據(jù)線并沒有嚴(yán)格等長，data[2]的線比較短，第二個時鐘上升沿之后一段時間就傳輸?shù)紽PGA的端口寄存器了，data[4]的走線比較長，第三個時鐘上升沿之后都沒有傳輸?shù)紽PGA的端口寄存器，那么在clk第三個時鐘上升沿會采集到錯誤數(shù)據(jù)。這就是為什么數(shù)據(jù)線和時鐘線均要做等長的原因。

這種少數(shù)走線差別可以通過FPGA的input delay進(jìn)行約束，需要計算每根線的PCB走線延遲，輸出寄存器延時等等，會比較麻煩，并且不能對代碼進(jìn)行移植，所以對于這種并行傳輸?shù)慕涌谠谠O(shè)計PCB時數(shù)據(jù)線和時鐘線必須做等長處理。

圖4 并行數(shù)據(jù)傳輸

但LVDS的數(shù)據(jù)線和時鐘線都是差分信號，導(dǎo)致數(shù)據(jù)線很多，等長處理很麻煩，但是還能有效果。比如時鐘頻率200MHz，那么數(shù)據(jù)只要在5ns之內(nèi)能夠穩(wěn)定傳輸?shù)捷斎爰拇嫫饕矝]有問題，即使每根走線之間有點差距，也問題不大。

但如果時鐘頻率繼續(xù)增加，就要求增加走線等長的精度。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率大于2Gbps時，時鐘周期小于0.5ns，此時即使微小的等長差距也會引發(fā)錯誤，甚至無法完成這樣的PCB布線。

在這種傳輸速率下，并行接口將不再合適，進(jìn)而推出了高速串行接口。

高速串行接口取消了時鐘線，只有一對差分?jǐn)?shù)據(jù)線，接收端通過CDR技術(shù)從串行數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘信號，之后將數(shù)據(jù)與時鐘同步給用戶。像PCIE、JE204B接口均是高速串行接口。

使用串行接口就可以避免時鐘同步和多位寬數(shù)據(jù)等長問題，但是對于恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)接收難度就增大了，發(fā)展到如今，高速串行接口也已經(jīng)很成熟了。

02FPGA中其余接口

FPGA內(nèi)部包含普通bank和gt bank兩種，后者就是高速收發(fā)器所在bank。xilinx的芯片根據(jù)架構(gòu)不同，包含不同類型的bank，其中A7只有HR bank，而K7除此之外還包含HP bank。下文將展示這些普通bank能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率。

如下圖所示，以K7為例，平常使用芯片速度等級大多為-2，因此以-2舉例。HP和HR bank的單沿數(shù)據(jù)傳輸速率均可以達(dá)到710Mb/s。

圖5 接口性能

對于K7的DDR3硬核數(shù)據(jù)收發(fā)速率基本可以達(dá)到1600Mb/s以上，如下圖所示。

圖6 K7內(nèi)存接口IP的最大物理接口速率

下圖是A7的DDR控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)速率，一般在800Mb/s左右，是K7速率的一半。

圖7 A7內(nèi)存接口IP的最大物理接口速率

由上述可知，除了DDR硬核控制器之外，HP和HR bank的ISERDES和OSERDES即使能夠?qū)崿F(xiàn)單沿并行數(shù)據(jù)與雙沿串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室琅f不是很高。如果要應(yīng)對高速ADC和PCIE這些接口，顯然速率不夠。

03Gigabyte Transceiver

基于上述原因，xilinx就推出了Gigabyte Transceiver。Xilinx 7系列的FPGA支持的GT一共有四種，分別為：GTP，GTX，GTH，GTZ，區(qū)別在于線速率不同。

其中GTP被用于A7系列，GTX通常被用于K7系列，GTH一般被用于V7系列，GTZ被用于少數(shù)V7系列。

GTP線速率可以達(dá)到6.6Gb/s，具體速率與芯片的速度等級有關(guān)，如下表所示，速度等級為-2的芯片線速率可以達(dá)到6.6Gb/s。

圖8 GTP速率

GTX線速率可以達(dá)到12.5Gb/s，我用的芯片型號為xc7z030ffg676-2，因此速率可以達(dá)到10.3125Gb/s，可以實現(xiàn)萬兆網(wǎng)傳輸。從下圖知最大速率與QPLL和CPLL也有關(guān)，當(dāng)線速率大于5.93GHz時使用QPLL。

圖9 GTX速率

GTH線速率可以達(dá)到13.1Gb/s，如下圖所示，GTZ線速率可以達(dá)到28.05Gb/s，暫時沒有找到其數(shù)據(jù)手冊。

圖10 GTH速率

關(guān)于GT收發(fā)器出現(xiàn)背景以及HP、HR bank、高速收發(fā)器的速率就講解到這里吧。

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