RocketIO的高速串行通道設計與驗證

　　引 言
　
　　目前，多數計算機、嵌入式處理設備和通信設備都采用并行總線(xiàn)，但隨著(zhù)芯片性能不斷提升和系統越來(lái)越復雜，數據傳輸帶寬已成為提高系統性能的瓶頸。雖然增大并行總線(xiàn)寬度可以提高芯片與芯片之間、背板與背板之間的數據吞吐量，但是數據線(xiàn)的增多和傳輸速率的加快會(huì )使PCB布線(xiàn)的難度提高，并且增加了信號延時(shí)和時(shí)鐘相位偏移。高速串行互連技術(shù)成為提高數據傳輸帶寬的有效解決途徑。

　　新的串行總線(xiàn)技術(shù)不斷涌現，如新推出的串行總線(xiàn)標準有PCI-express、RapidI()、10Gigabit Ethernet Attachment Unit Interface(XAUI)、HyperTransport、Infini-Band、SATA等。新標準的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò )與通信領(lǐng)域不斷增強的數字統一趨勢，對系統設計人員橋接這些標準和適應不斷演化的標準提出了新的挑戰，需要具有新一代系統集成和靈活性的可編程解決方案。Xilinx公司的Vir-tex-4 FX系列FPGA芯片內置了RocketIO收發(fā)器，能夠提供622 Mb／s～6.5 Gb／s的數據傳輸速率，并且支持多種高速串行通信協(xié)議，可以幫助設計人員方便、靈活、可靠地實(shí)現高速通信。

　　1 設計要素

　　1.1 時(shí) 鐘
　
　　在Virtex-4 FX系列FPGA中每個(gè)RocketIO Multi-Gigabit Transceiver(MGT)有多個(gè)時(shí)鐘輸入。其中，參考時(shí)鐘有3種，根據不同的傳輸速率選擇不同的參考時(shí)鐘。GREFCLK適用于單個(gè)MGT組且數據傳輸率低于1 Gb／s的情況。REFCLK1和REFCLK2一般用于數據傳輸率高于1 Gb／s、低于6.5 Gb／s的情況。

　　時(shí)鐘精度和時(shí)鐘抖動(dòng)是評價(jià)時(shí)鐘質(zhì)量的兩個(gè)重要指標。MGT模塊要求高精度的參考時(shí)鐘，MGT要求的時(shí)鐘精度為±350×10-6，MGT可容忍的輸入參考時(shí)鐘抖動(dòng)公差最大為40 ps，所以從DCM中出來(lái)的時(shí)鐘(大于±100ps)不能夠作為MGT的參考時(shí)鐘輸入。MGT的時(shí)鐘一般采用以下方案解決：從片外輸入的差分時(shí)鐘必須經(jīng)過(guò)RocketIO模塊指定的差分時(shí)鐘引腳接入，然后經(jīng)過(guò)Rock-etIO模塊中的時(shí)鐘管理模塊GTllCLK_MGT轉化成單端時(shí)鐘，送到REFCLK1或REFCLK2作為MGT的參考時(shí)鐘。

　　MGT模塊的輸出時(shí)鐘TXOUTCLK1、TXOUT-CLK2、RXRECCLK1、RXRECCLK2可以作為4個(gè)用戶(hù)使用的時(shí)鐘TXUSRCLK、TXUSRCLK2、RXUSRCLK、RX-USRCLK2的時(shí)鐘源；也可以作為DCM模塊的輸入，從而生成用戶(hù)所需的特定頻率的時(shí)鐘，提供給系統其他模塊使用。參考時(shí)鐘的頻率由串行傳輸速率和時(shí)鐘參數設置來(lái)決定。表1是該實(shí)驗中關(guān)于時(shí)鐘參數的設置。

　　1.2 復 位

　　MGT模塊中的復位分為發(fā)送部分的復位和接收部分的復位。發(fā)送部分的復位主要包括TXPMARESET和TXPCSRESET；接收部分的復位主要包括RXPMARE-SET和RXPCSRESET。TXPMARESET復位用于復位PMA和重新初始化PMA功能。其引腳電平為高時(shí)，復位PLL控制邏輯和內部的PMA分頻器，同時(shí)也使發(fā)送器PLL LOCK信號為低并且迫使TX PLL進(jìn)行校驗。TXP-MARESET引腳電平為高至少要持續3個(gè)USRCLK時(shí)鐘周期。

　　當TXPCSRESET引腳電平為高時(shí)，TX PCS模塊被復位。TX PCS模塊包括：TX Fabric接口，8B／10B編碼器，10GBASE-R編碼器，TX緩沖器，64B／66B擾碼器和10GBASE-R自適應同步器。TXPCSRESET復位與TXPMARESET復位是相互獨立，互不影響的。

　　TXPCSRESET復位的要求如下：

　?、僭赥XPCSRESET復位時(shí)，TXUSRCLK和PCS的TXCLK時(shí)鐘必須已經(jīng)保持穩定，以便初始化發(fā)送緩沖器。

　?、赥XPCSRESET引腳電平為高，至少要持續3個(gè)TXUSRCLK或TXUSRCLK2時(shí)鐘周期。

　?、墼赥XPCSRESET復位結束后，TX PCS模塊至少需要5個(gè)時(shí)鐘周期(以TXUSRCLK或TXUSRCLK2中最長(cháng)的時(shí)鐘周期為準)來(lái)完成各個(gè)子模塊的復位。

　　圖1是發(fā)送部分的復位時(shí)序圖。接收部分的復位時(shí)序圖和復位要求與接收部分類(lèi)似，請參見(jiàn)Xilinx公司技術(shù)文檔ug076.pdf。

　　2 MGT的模塊及原理介紹

　　發(fā)送的并行數據經(jīng)過(guò)8B／10B編碼后，寫(xiě)入發(fā)送端FIFO，然后轉換成串行差分數據發(fā)送出去。接收端接收到的串行差分信號首先經(jīng)過(guò)接收端緩沖，然后經(jīng)過(guò)串并轉化器轉換成并行數據，再經(jīng)過(guò)8B／10B解碼，寫(xiě)入彈性緩沖，最后并行輸出。

　　2.1 8B／10B編解碼器

　　8B／10B編碼機制是由IBM公司開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)被廣泛采用。它是一種數值查找類(lèi)型的編碼機制，可將8位的字符轉化為10位字符。轉化后的字符可以保證有足夠的跳變用于時(shí)鐘恢復。8B／10B編碼具有“0”和“1”出現的概率相等，直流基線(xiàn)漂移小，低頻分量小，功率譜帶寬較窄，抖動(dòng)小，以及能夠檢測輸入數據中的錯誤等許多優(yōu)點(diǎn)。

　　8B／10B編碼可以分為256個(gè)數據字符和12個(gè)控制字符。數據字符，標為D，用于傳輸數據；控制字符，標為K，用于傳輸控制序列。12個(gè)控制字符用于對齊、控制，以及將帶寬劃分為子通道。

　　2.2 comma字符檢測和對齊

　　Virtex-4 RrocketIO有可編程的逗號檢測，以便于實(shí)現10位字符的各種通信協(xié)議和檢測，通過(guò)對MCOMMA_10B_VALUE、DEC_MCOMMA_DETECT、PCOMMA_10B_VALUE、DEC_PCOMMA_DETECT和COMMA_10B_MASK這些參數的設置，可以實(shí)現任意的8位或10位符號檢測。

　　接收器在輸入數據流中掃描搜尋comma字符。如果找到，解串器就調整序列邊界以匹配檢測到的comma字符序列，且掃描是連續進(jìn)行的。一旦對齊確定，所有后續comma字符的對齊均已確定。在任意的序列組合里，comma字符序列必須是唯一的。常用的K字符是12個(gè)K字符中的一個(gè)或多個(gè)。由于K28.1、K28.5、K28.7這些字符的頭7位都是1100000，這種比特序列模式只可以在這些控制字符中出現，因此，這些控制字符是非常理想的對齊序列。

　　2.3 時(shí)鐘修正

　　在時(shí)鐘／數據恢復電路的作用下，從接收的串行數據流中解出時(shí)鐘的頻率和相位，一般將它的20分頻時(shí)鐘作為恢復時(shí)鐘。在恢復時(shí)鐘作用下從串行數據經(jīng)過(guò)解串器產(chǎn)生并行數據作為8B／10B譯碼的輸入，譯碼后的數據進(jìn)入16×52位的接收緩沖器。輸入緩沖器的輸人數據速率是由PCS RXCLK的頻率決定的，而從緩沖器讀取端輸出的數據速率是由RXUSRCLK的頻率決定的。由于兩個(gè)時(shí)鐘會(huì )有差異，所以需要進(jìn)行時(shí)鐘修正。

　　時(shí)鐘修正的基本原理是：在發(fā)送端，當數據發(fā)送了一定的字節或數個(gè)數據包后，通過(guò)插入和發(fā)送一些特定的字節修正字符；在接收端，當接收到這些字符后會(huì )自動(dòng)地丟棄或者重復來(lái)補償時(shí)鐘的差異。時(shí)鐘修正的核心工作是在比特流中搜尋特定的字符序列。

　　3 MGT的測試與驗證

　　本實(shí)驗是在XilinX公司的ML405評估板上進(jìn)行的，使用2個(gè)MGT。其中，MGT1用來(lái)發(fā)送數據(通過(guò)mgt1_tx_n和mgt1_tx_p這對差分線(xiàn))，MGT0用于接收數據(通過(guò)mgt0_tx_n和mgt0_tx_p這對差分線(xiàn))。使用串行ATA電纜(長(cháng)約100 cm)將它們連接起來(lái)形成一個(gè)大環(huán)路，進(jìn)行數據讀回測試。MGT驗證實(shí)驗的硬件框圖如圖2所示。

　　其中，gtll_init_tx模塊產(chǎn)生tx—pmareset、tx_pcsreset復位信號以及frame—gen模塊的復位信號；frame—gen模塊產(chǎn)生帶有comma字符的數據流，每次發(fā)送的數據位寬為32位；gtll_init_rx模塊產(chǎn)生rx_pmareset、rx_pcsreset復位信號以及frame_check模塊的復位信號；frame_check模塊用來(lái)將發(fā)送的數據與實(shí)際接收到的來(lái)自于MGT0的并行輸出端口的數據進(jìn)行比較，如果檢測到不一致，則frame_check模塊的ERR_COUNT計數器就加1，通過(guò)讀取該計數器的值和記錄MGT工作的時(shí)間就可以計算出該系統中MGT的錯誤率。

　　假設MGT的錯誤率為δ，MGT的數據傳輸率為μ，MGT傳輸數據的有效時(shí)間為τ，ERR_COUNT計數器的計數值為E，則有：

　　實(shí)驗中測得，E=319，τ=3 600s，μ=3 Gb／s。將上述數值代入式(1)，求得δ=2.957×10-11。通過(guò)取不同的時(shí)間τ，每個(gè)τ對應做多次實(shí)驗，可以得到δ的范圍為[2.752×10-11，3.168×10-11]。通過(guò)該實(shí)驗可以發(fā)現具M(jìn)GT的可靠性比較高，可以滿(mǎn)足我們的工程需求，具有很高的實(shí)際使用價(jià)值。

　　結 語(yǔ)

　　目前，系統對數據傳輸率的要求越來(lái)越高，高速串行互連技術(shù)由于將時(shí)鐘與數據合并進(jìn)行傳輸，從而解決了高速并行數據傳輸過(guò)程中時(shí)鐘和數據的抖動(dòng)問(wèn)題，提高了數據傳輸速率，降低了設計復雜性和成本，減少了引腳數量和PC板面積。Xilinx公司的Virtex-4 FX系列FPGA器件中所提供的用于實(shí)現高速串行互連的RocketIO IP核，具有使用方便、配置靈活、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，將它用于解決高速串行數據傳輸問(wèn)題，既簡(jiǎn)化了設計，又提高了系統的集成度和可靠性，有很好的應用前景。