介紹了RocketIO在高速通信中的應(yīng)用并總結(jié)了高速通信系統(tǒng)的共性特征 - 全文

在高速電路系統(tǒng)設(shè)計中，差分串行通信方式正在取代并行總線方式 ，以滿足系統(tǒng)對高帶寬數(shù)據(jù)通信的需求。RocketIO是Virtex2 Pro以上系列中集成的專用高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，可用于實現(xiàn)吉比特的數(shù)據(jù)傳輸，適用于多種高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。依據(jù)實際工程應(yīng)用需求，提出了基于RocketIO的高速串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了每通道2.5 Gb/s的傳輸速度。最后介紹了RocketIO在Aurora和PCI Express協(xié)議實現(xiàn)中的應(yīng)用，并總結(jié)了高速通信系統(tǒng)的共性特征。

引言

隨著電子系統(tǒng)對速度以及精度要求的提高，高速串行數(shù)據(jù)通信模式正在逐步取代傳統(tǒng)的并行總線式結(jié)構(gòu)。并行總線結(jié)構(gòu)由于其固有的缺點，在速度上的提升空間已經(jīng)很小。

① 并行總線在印制電路板上要占用大量的空間，在電路系統(tǒng)日益小型化的今天給系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大困難。如PATA66以上的PATA數(shù)量達到了80根，使得電路板的布線極為困難。

② 并行總線由于在布線時很難保證每條線路長度與電氣特征一致，導致信號到達時間不同，在較高的工作頻率下很難實現(xiàn)完全同步，以致出現(xiàn)信號偏移。這使接收器難以確定采樣時間，容易造成數(shù)據(jù)錯誤。

③ 由于寄生電容的影響，在并行的兩條數(shù)據(jù)線中容易產(chǎn)生串擾，甚至改變信號原有真實電平。采用地線進行屏蔽可以在一定程度上消除串擾，但同時也造成總線線路數(shù)目的急劇增加。

④ 并行總線參考電平為地電平，容易受噪聲干擾。同時由于在總線上“0”、“1”分布不均勻，在信號收發(fā)器之間易造成直流偏置，造成信號噪聲容限降低。

相比而言，高速串行總線采用差分對的形式，并且在發(fā)送端與接收端之間采用點對點的連接結(jié)構(gòu)。差分信號經(jīng)過編碼，消除信號序列中直流分量，從而可以提高噪聲容限。同時，在信號序列中插入時鐘信息，信號中攜帶時鐘，解決了信號偏移問題。

在嵌入式應(yīng)用方面，主流的FPGA中都已對差分信號提供了硬件支持，如Xilinx公司推出的Virtex系列FPGA中，相鄰的兩個I/O口都以差分信號對形式出現(xiàn)。從Virtex2 Pro系列開始，更是在片上集成了固化的RocketIO模塊，以提供高超高速的串行通信支持。本文將從工程應(yīng)用的角度出發(fā)介紹RocketIO的相關(guān)特征，并探討其在高速數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

1 RocketIO

RocketIO收發(fā)器是在Virtex2 Pro以上系列FPGA中集成的專用串行通信模塊，在使用時不占用FPGA其他邏輯與片上存儲資源。在Virtex5 LXT和SXT系列FPGA中，RocketIO稱為GTP，每兩個GTP共用一個PLL，組成一個GTP_Dual。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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圖1 GTP_Dual Tile結(jié)構(gòu)框圖

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每一個RocketIO收發(fā)器均具有如下特征：

◆ 具有可配置終端、電壓擺幅與耦合的電流模邏輯串行驅(qū)動或緩沖器。

◆ 可編程發(fā)送預(yù)加重和接收均衡，以實現(xiàn)最優(yōu)信號完整性。

◆ 100 Mb/s~3 Gb/s的線速范圍，線速在100 Mb/s~500 Mb/s區(qū)間時具有可選的5倍過采樣功能。

◆ 可選的嵌入式PCS功能，例如8位/10位編碼、逗號對齊、通道綁定以及時鐘校正。

◆ 最小化的確定性數(shù)據(jù)通道延遲。

◆ 對PCI Express、SATA、傳輸?shù)葏f(xié)議的支持。

從應(yīng)用上講，RocketIO處于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的物理層，用以實現(xiàn)最基本的數(shù)據(jù)通信環(huán)境。其主要功能可以概括為：將輸入的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼，轉(zhuǎn)化為高速的差分串行信號。在實際應(yīng)用中，輸入時鐘、PLL參數(shù)設(shè)置以及PCB線路的設(shè)計與布局是影響數(shù)據(jù)傳輸效果的最重要因素。

1.1 輸入時鐘

RocketIO有三種時鐘輸入方式：專用差分時鐘、共享鄰近GTP_Dual的時鐘、以及使用FPGA內(nèi)部時鐘。Rocket I/O GTP時鐘輸入方式如圖2 所示。

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圖2 Rocket I/O GTP時鐘輸入方式

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使用專用差分時鐘時，差分的時鐘信號通過輸入差分緩沖器變?yōu)閱味藭r鐘，輸入到GTP_Dual Tile中的PLL，當使用的時鐘源精度滿足要求時具有最優(yōu)的時鐘穩(wěn)定性。

從相鄰GTP_Dual Tile獲得時鐘時需要使用GTP專用的時鐘通路，但此時GTP_Dual與提供時鐘的GTP_Dual Tile間隔的GTP_Dual Tile個數(shù)不能超過兩個，即每對差分輸入時鐘最多可驅(qū)動7個GTP_Dual Tile。

相比于上述兩種時鐘輸入方式，從FPGA內(nèi)部獲得時鐘時鐘精度最差。這是因為光纖，F(xiàn)PGA內(nèi)部使用的時鐘經(jīng)過邏輯電路以及BUFG或BUFR緩沖后，會引入較大的時間抖動。但由于在FPGA內(nèi)部可以靈活變換參考時鐘頻率，因此在速度與精度要求不太高的場合可采用FPGA內(nèi)部時鐘。經(jīng)實驗驗證，對于誤碼率要求在1‰以下的應(yīng)用，從FPGA內(nèi)部獲得的時鐘信號可以滿足要求。

1.2 PLL參數(shù)設(shè)置

時鐘信號輸入到GTP_Dual Tile內(nèi)部后還需要經(jīng)過PLL的進一步處理才能使用。PLL可向兩個RocketIO提供相互獨立的各種時鐘信號。PLL內(nèi)部時鐘變換結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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圖3 PLL內(nèi)部時鐘變換結(jié)構(gòu)

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需要注意的是，由于此PLL可用參數(shù)（PLL_DIVSEL_FB = [1,2,3,4,5], PLL_DIVSEL_REF = [1,2]）有限，為獲得高速串行通信所需頻率，輸入?yún)⒖紩r鐘CLKIN僅可在有限范圍內(nèi)選擇。因此，參考時鐘需通過專用的具有相應(yīng)頻率的晶振提供或在FPGA內(nèi)部經(jīng)DCM或PLL變換獲得。

1.3 PCB設(shè)計

RocketIO產(chǎn)生的高速串行信號速度在1 GHz以上時，已經(jīng)進入微波范圍。因此在使用時，其PCB電路的制作也是影響信號傳輸效果的重要因素。

RocketIO的供電必須由專用的電源管理模塊提供，不能與其他模塊電源共享，以減少噪聲引入。即使GTP中同一種電源的不同引腳之間也需要通過濾波電路進行隔離，以減少相互之間的影響。為平衡GTP_Dual Tile的負載，只使用其中的一個GTP時，兩個GTP的供電應(yīng)以同樣策略進行處理。

在布線時，高速差分對走線應(yīng)當有最高的優(yōu)先級，以保證其電氣特性滿足微帶線或帶狀線的要求。走線應(yīng)當盡量直、短并具有最少的信號層變化。為減少干擾信號的影響，高速線應(yīng)盡量遠離其他有可能會帶來噪聲的信號線，同時信號線拐角采用45°而避免使用直角。為保證信號的完整性，高速差分信號線的參考平面須保持連續(xù)，并盡量以地平面為參考，否則其阻抗特性會發(fā)生急劇變化，導致信號的反射增強。

2 RocketIO在高速信號傳輸中的應(yīng)用

在多種高速數(shù)據(jù)處理場合都需要對數(shù)據(jù)進行高速收發(fā)。以超高速信號采集系統(tǒng)為例，當采用ADC08D1500采集芯片時，最高可以實現(xiàn)單通道3 Gsps的超高速采樣率，數(shù)據(jù)精度為8位。這時就需要具有足夠高傳輸速率的信號傳輸機制對信號進行轉(zhuǎn)發(fā)。若實現(xiàn)機內(nèi)通信，可采用PCI Express傳輸協(xié)議；若實現(xiàn)系統(tǒng)間通信，則可使用光纖通信協(xié)議或千兆以太網(wǎng)協(xié)議。在工程中，上述協(xié)議都可通過專用的芯片來實現(xiàn)，但也使得系統(tǒng)變得復雜，同時使電路板的設(shè)計空間緊張。而RocketIO對多種高速傳輸協(xié)議的支持，可以使得PCI Express協(xié)議、光纖傳輸協(xié)議或千兆以太網(wǎng)協(xié)議在同一片F(xiàn)PGA內(nèi)實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的集成度，并使得信號的處理機制更加靈活。在本文的設(shè)計中，采用了PCI Express傳輸協(xié)議來實現(xiàn)機內(nèi)通信，采用Aurora光纖傳輸協(xié)議來實現(xiàn)系統(tǒng)間通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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圖4 超高速采集系統(tǒng)框圖

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2.1 Aurora協(xié)議

Aurora協(xié)議是一種可配置的、簡便的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以通過使用一條或多條高速串行通道實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸。Aurora協(xié)議可為私有上層協(xié)議或標準上層協(xié)議提供透明接口的串行互聯(lián)協(xié)議，允許任何數(shù)據(jù)分組通過Aurora協(xié)議封裝，并在芯片間、電路板間甚至機箱之間傳輸。Xilinx還開發(fā)了實現(xiàn)該協(xié)議的Aurora IP核，當使用Virtex5 FPGA提供的RocketIO時，Aurora可實現(xiàn)每個物理通道500 Mb/s到3.75 Gb/s的傳輸速率。Aurora可將1~16個物理通道綁定在一起，形成一個由16個通道綁定而成的虛擬鏈路，提供最高60 Gb/s的傳輸波特率[1]。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Aurora核結(jié)構(gòu)

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Aurora核可以幀模式或流模式傳輸數(shù)據(jù)[4]。Aurora的幀可以是任意大小，并可以在任意時刻被中斷。有效數(shù)據(jù)之間被自動以空閑（idles）序列信號填充，以維持通道的鎖定。幀模式下有可選的數(shù)據(jù)流控制信號，以降低接收數(shù)據(jù)速率，或傳送簡短而優(yōu)先級高的信息。流模式在Aurora核中以一個無結(jié)尾的幀方式實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隙補以空閑序列信號。

2.2 PCI Express協(xié)議

PCI Express是PCI、PCIX協(xié)議的下一代協(xié)議，是一種廣泛適用于計算和通信平臺的高性能通用互聯(lián)結(jié)構(gòu)。同Aurora協(xié)議相似，PCI Express協(xié)議采用點到點的串行鏈接，單通道可實現(xiàn)2.5 Gb/s的傳輸速率，最高可使用16個通道實現(xiàn)40 Gb/s的高速通信。Xilinx公司開發(fā)的集成的PCIE IP核(Integrated Endpoint Block)可實現(xiàn)最高8個RocketIO通道的綁定，以此為物理層基礎(chǔ)實現(xiàn)20 Gb/s的傳輸速率。PCI Express協(xié)議包含傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其在FPGA上基于RocketIO實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

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圖6 Xilinx PCIE IP核結(jié)構(gòu)框圖

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2.3 高速信號傳輸系統(tǒng)的共性

RocketIO可應(yīng)用于多種高速數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的場合，這是由于高速信號傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都可以概括為三個組成部分，并且傳輸協(xié)議分層實現(xiàn)的方式使得系統(tǒng)協(xié)議與硬件系統(tǒng)之間具有一定的獨立性。

圖7 高速信號傳輸系統(tǒng)框架圖

高速信號傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方式多種多樣，但一般均由上層協(xié)議、高速收發(fā)器以及傳輸接口組成。其結(jié)構(gòu)框架如圖7所示。

上層協(xié)議：根據(jù)不同的任務(wù)需要，為實現(xiàn)高速信號傳輸制定的傳輸協(xié)議多種多樣，包含的層數(shù)也不同。如PCI Express協(xié)議具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及傳輸層，Aurora協(xié)議具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，10 Gb/s以太網(wǎng)協(xié)議（XAUI）包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。用戶程序可使用這些傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

高速收發(fā)器：高速收發(fā)器是所有傳輸協(xié)議都必須具備的物理層，是實現(xiàn)高速信號傳輸?shù)幕A(chǔ)。一般實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、時鐘數(shù)據(jù)恢復、線路編碼、線路綁定等功能，可為多種上層協(xié)議提供硬件支持。Xilinx公司推出的RocketIO與Altera公司推出的Rapid IO等都可看作高速收發(fā)器。

傳輸接口：在高速的信號傳輸系統(tǒng)中傳輸接口與高速收發(fā)器之間通過差分線連接，可實現(xiàn)全雙工的雙向傳輸。接口形式與具體應(yīng)用相關(guān)，如實現(xiàn)PCI Express傳輸協(xié)議的PCIE接口、實現(xiàn)光線傳輸協(xié)議的光線接口以及實現(xiàn)高速以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)接口等。

其中相同的高速收發(fā)器可以應(yīng)用于使用不同傳輸協(xié)議的系統(tǒng)中，所連接的接口根據(jù)不同應(yīng)用而有不同形式。如RocketIO既可用于Aurora光纖通信協(xié)議，也可用于PCI Express協(xié)議。而在Aurora協(xié)議中，RocketIO與光纖接口相連，在PCI Express協(xié)議中，RocketIO與PCIE接口相連。

結(jié)語

綜上所述，RocketIO通過提供高速的串并轉(zhuǎn)換、時鐘與復位管理、線路編解碼等功能，為實現(xiàn)高速的串行數(shù)據(jù)傳輸提供了良好的物理層基礎(chǔ)。RocketIO對多種高速傳輸協(xié)議的支持使得其在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，也使得用戶在選擇使用成熟的IP核之外，可以根據(jù)實際需要利用RocketIO開發(fā)專用模塊，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。