在FPGA中實(shí)現(xiàn)源同步LVDS接收正確字對齊

在串行數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)接收端需要一些特定的信息來恢復(fù)出正確的字邊界，以確定串行碼流中哪些比特屬于原始并行數(shù)據(jù)里的同一時鐘節(jié)拍里的數(shù)據(jù)，這一處理過程稱為字對齊(Word Aligner)。一些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議會定義特殊的碼型(常見的碼型如8B/10B編碼中的K28.5)用于字對齊處理。另一些帶源同步時鐘的LVDS接口，通常會利用低頻的源同步時鐘來攜帶字對齊信息，用于接收端的正確恢復(fù)。FPGA對上述兩種方案都可以進(jìn)行正確處理。那么，如何FPGA中利用低頻源同步時鐘實(shí)現(xiàn)低壓差分信號(LVDS)接收字對齊呢？

在串行數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)接收端需要一些特定的信息來恢復(fù)出正確的字邊界，以確定串行碼流中哪些比特屬于原始并行數(shù)據(jù)里的同一時鐘節(jié)拍里的數(shù)據(jù)，這一處理過程稱為字對齊(Word Aligner)。一些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議會定義特殊的碼型(常見的碼型如8B/10B編碼中的K28.5)用于字對齊處理。另一些帶源同步時鐘的LVDS接口，通常會利用低頻的源同步時鐘來攜帶字對齊信息，用于接收端的正確恢復(fù)。FPGA對上述兩種方案都可以進(jìn)行正確處理。對于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，F(xiàn)PGA通常都會有知識產(chǎn)權(quán)(IP)模塊提供。本文主要討論在FPGA中利用低頻源同步時鐘實(shí)現(xiàn)低壓差分信號(LVDS)接收字對齊的設(shè)計方法及步驟。

LVDS已經(jīng)成為業(yè)界高速傳輸最普遍應(yīng)用的差分標(biāo)準(zhǔn)。LVDS的優(yōu)勢包括：由于采用差分信號帶來的對共模噪聲的免疫能力，進(jìn)而提高了抗噪聲能力；功率消耗較小，噪聲較小等。由于LVDS有比較好的抗躁聲特性，它可以采用低至幾百毫伏的信號擺幅，進(jìn)而可以支持更高的數(shù)據(jù)速率。

LVDS串行器/解串器(SERDES)可以完成多位寬度的并行信號到LVDS串行信號的轉(zhuǎn)換以及反方向操作，如圖1所示。有些器件提供圖1中的隨路時鐘，但有些器件可能并不提供，這時LVDS解串器還必須具有時鐘恢復(fù)(CDR)功能。市面上有各種規(guī)格的LVDS SERDES器件，此外FPGA或其它一些器件也都能集成LVDS SERDES模塊。

圖1：LVDS串行器/解串器的功能示意圖。

為確保正確的數(shù)據(jù)傳送，通過LVDS接收器后必須能恢復(fù)字順序，即輸入到LVDS串行器的最高比特能夠正確地出現(xiàn)在解串器恢復(fù)輸出數(shù)據(jù)的最高比特位置上，至少是需要預(yù)先知道出現(xiàn)在哪個比特位置上后再進(jìn)行調(diào)整。圖2和圖3分別給出了4位寬度下字順序得到保留和沒有得到保留的例子。對于圖3的情況，需要采用一種方法找把字順序調(diào)整過來。

圖2：字順序得到保留。

圖3：字順序沒有得到保留。

字順序的調(diào)整通常采用尋找訓(xùn)練碼來進(jìn)行。一些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議通常會定義特殊的碼型來進(jìn)行字對齊處理，比如8B/10B編碼中K28.5碼型的主要功能就是字對齊處理。發(fā)送端在有效數(shù)據(jù)中插入K28.5碼型，接收端在收到的數(shù)據(jù)中尋K28.5碼型，找到之后以這個碼型為參考得到正確的并行數(shù)據(jù)輸出。此外，諸如SDH協(xié)議就利用幀頭位置的A1A2字節(jié)來進(jìn)行字對齊處理。

另外一些相對低速的LVDS接口也利用低頻的源同步時鐘來攜帶字對齊信息，以便在接收端實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)恢復(fù)。這里的低頻源同步時鐘也如圖1中的隨路時鐘，LVDS數(shù)據(jù)和隨路時鐘之間的倍數(shù)關(guān)系通常等于LVDS串行化時的倍數(shù)因子。比如，德州儀器(TI)的SN65LVDS95 LVDS發(fā)送器，不僅可完成21：3的LVDS串行化發(fā)送，還將21位的并行數(shù)據(jù)和時鐘串行化成3路LVDS數(shù)據(jù)輸出和1路時鐘輸出。串行化因子的值等于7，所以輸出時鐘的頻率是LVDS數(shù)據(jù)速率的七分之一。通過這個隨路時鐘，配套的解串器SN65LVDS96就能夠正確恢復(fù)并行數(shù)據(jù)。

與這類單獨(dú)的LVDS SERDES器件相比，F(xiàn)PGA集成LVDS模塊能提供更高的集成度，并簡化硬件設(shè)計、節(jié)省PCB面積，從而降低應(yīng)用成本。高端FPGA還在I/O單元里固化了LVDS串行器/解串器，支持非常高的速率，比如Altera公司的Stratix III系列。

Stratix III FPGA系列是Altera公司基于TSMC 65nm工藝的高端FPGA，是業(yè)界高密度高性能可編程邏輯器件中，功耗最低的產(chǎn)品系列。Stratix III 器件可以同時提供最多276對LVDS串行化發(fā)送模塊和276對LVDS解串行化接收模塊，每路LVDS最高可以支持1.6Gbps。此外，它還獨(dú)家提供可編程的輸出擺幅和預(yù)加重功能，以支持長距離背板傳送，如圖4所示。

圖4：Stratix III 支持可編程的輸出擺幅(Vs(p-p))和預(yù)加重(Vpp(p-p))。

圖5顯示了Stratix III的LVDS接收器中固化在I/O單元里的模塊。源同步的低頻時鐘rx_inclk通過PLL倍頻移相后得到DIFFI/OCLK，對輸入數(shù)據(jù)rx_in進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行最高因子為10的解串行化。

圖5：Stratix III I/O固化的LVDS接收器。

由于FPGA具有非常高的靈活性，比如支持不同LVDS輸入數(shù)據(jù)和輸入時鐘之間的倍頻關(guān)系，以及不同的解串行化因子，所以Stratix III LVDS硬核模塊的輸出字順序通常是不確定的，每次上電或者復(fù)位后字順序都有可能發(fā)生變化，使用時需要根據(jù)特殊碼型進(jìn)行字對齊處理。
當(dāng)輸入到FPGA的數(shù)據(jù)和時鐘之間的倍數(shù)關(guān)系等于解串器的解串行化因子時，F(xiàn)PGA與單獨(dú)的LVDS解串器一樣，有確定的字順序輸出，可以在沒有訓(xùn)練碼型的情況下繼續(xù)正常應(yīng)用。圖6是解串行化因子為7時的時序圖。假設(shè)隨路時鐘的上升沿對應(yīng)數(shù)據(jù)的最高比特，在FPGA內(nèi)部，PLL會從隨路時鐘產(chǎn)生一個進(jìn)行過相位調(diào)整的7倍頻率采樣時鐘。此時鐘對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后送入解串器，通過控制解串器的裝載時鐘相位，得到確定的并行數(shù)據(jù)輸出字順序。裝載時鐘的相位相對隨路時鐘相位的固定差異是通過接收PLL的相位控制來實(shí)現(xiàn)的，因此必須在輸入時鐘穩(wěn)定后再釋放PLL的復(fù)位控制，或者等輸入時鐘穩(wěn)定后再復(fù)位PLL一次，否則輸出的字順序在每次上電時都可能不固定。

圖6：LVDS接收及解串行化時序圖。

在具體應(yīng)用時，還需通過仿真來確定具體應(yīng)用下的字輸出順序，然后在邏輯設(shè)計里面進(jìn)行調(diào)整，使最終的并行輸出符合滿足需求。下面以與TI的SN65LVDS95 LVDS發(fā)送器對接為例來介紹具體的設(shè)計方法和步驟。當(dāng)把Stratix III的LVDS與別的LVDS器件對接時，也可以此為參考。

 
圖7：LVDS95輸出時序。

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在圖7，LVDS95輸出的時鐘和數(shù)據(jù)是對齊到輸出時鐘的上升沿上的，數(shù)據(jù)的最高比特(MSB)出現(xiàn)在時鐘上升沿之在后的第三個比特。這里的目的是使Stratix III 的LVDS接收器輸出正確的字順序，也即圖7中的D6出現(xiàn)在并行輸出數(shù)據(jù)的最高比特上。

圖8：綜合設(shè)置頁面。

假設(shè)并行側(cè)的時鐘頻率是60MHz，這樣串行LVDS的速率是480Mbps。為方便描述，這里只針對1路LVDS數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計。

首先根據(jù)LVDS95的時序進(jìn)行Stratix III中的LVDS模塊(ALTLVDS)的調(diào)用。

圖9：頻率和鎖相環(huán)設(shè)置頁面。

在圖8的綜合設(shè)置頁面中，我們沒有選上“Implement Serializer/Deserializer circuitry in logic cells"，這樣就用到了LVDS SERDES硬核。同樣也沒有選上“Enable Dynamic Phase Alignment mode”選項，這表示不使用DPA功能。

圖10：接收器設(shè)置頁面。

在圖9中，根據(jù)LVDS95的輸出時序，在“What is the phase alignment of 'rx_in' with respect to the rising edge of 'rx_inclock'? ”里選擇了0度。在圖10的設(shè)置中，通常情況下需要選上“Register outputs”選項。但因為后續(xù)設(shè)計邏輯包含了這些寄存器，所以這里選擇該選項。此外，在這里沒有使能“rx_channel_data_align”端口來進(jìn)行字重新對齊。

接下來需要通過仿真找出串行因子等于7的情況下，LVDS硬核的字順序情況。圖11給出了頂層設(shè)計例子，圖12是在MODELSIM里的仿真結(jié)果。

圖11：頂層模塊的設(shè)計。

從圖11的仿真波形可以看到，LVDS時鐘上升沿之后的第一個數(shù)據(jù)將在并行側(cè)的rx_out_tmp[6:0]中的rx_out_tmp[2]出現(xiàn)。結(jié)合LVDS95的特性，LVDS95輸出的MSB(D6)將在rx_out_tmp[0]出現(xiàn)，于是需要將此輸出滑動一位，得到正確的字順序。

圖12：仿真波形。

在圖13中，首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行一拍延時，得到rx_out_tmp_dly[6:0]，然后將rx_out_tmp_dly[0]放置在輸出數(shù)據(jù)的最高位，rx_out_tmp[6:1]順序放置在其他位上，得到數(shù)據(jù)向右滑動一位的效果。如果需要滑動多位，調(diào)整上述的放置位置就可以了。對上述調(diào)整邏輯，我們可以進(jìn)一步通過仿真來驗證。在此我們輸入了一個計數(shù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。圖14給出了仿真的部分輸出結(jié)果，圖中，左邊兩根豎條標(biāo)出了LVDS輸入的“000001”數(shù)據(jù)，右邊的兩個豎條標(biāo)出了rx_out的正確輸出。這證明了我們的調(diào)整是正確的。

圖13：字順序的調(diào)整邏輯。

圖14：內(nèi)容為計數(shù)器的仿真輸出波形。

本文小結(jié)

在利用Stratix III做LVDS接收時，我們可以將解串行化因子設(shè)置成等于輸入的LVDS數(shù)據(jù)和時鐘之間的倍數(shù)關(guān)系，這樣就可以得到確定的字輸出順序，從而可以不依賴訓(xùn)練碼實(shí)現(xiàn)正確LVDS接收的字對齊。此方法不僅適合于FPGA與單獨(dú)的LVDS發(fā)送器進(jìn)行對接，也可用于FPGA與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳送，使用時FPGA的LVDS發(fā)送端送出低頻的源同步時鐘即可。