利用Virtex-5 LXT應(yīng)對(duì)串行背板接口設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

采用串行技術(shù)進(jìn)行高端系統(tǒng)設(shè)計(jì)已占很大比例。在《EETimes》雜志最近開(kāi)展的一次問(wèn)卷調(diào)查中，有92%的受訪(fǎng)者表示2006年已開(kāi)始設(shè)計(jì)串行I/O系統(tǒng)，而在2005年從事串行設(shè)計(jì)的僅占6?%。

串行技術(shù)在背板應(yīng)用中的盛行，大大促進(jìn)了這一比例的提高。隨著對(duì)系統(tǒng)吞吐量的要求日益提高，陳舊的并行背板技術(shù)已經(jīng)被帶寬更高、信號(hào)完整性更好、電磁輻射和功耗更低、PCB設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單的基于串行解串器(SerDes)技術(shù)的背板子系統(tǒng)所代替。

諸如XAUI和千兆位以太網(wǎng)(GbE)等有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)互操作性的標(biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議的問(wèn)世，進(jìn)一步推動(dòng)了串行技術(shù)的應(yīng)用。此外，PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)(PICMG)制定的AdvancedTCA和MicroTCA等串行背板規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)串行技術(shù)的快速普及起到了重要作用。串行背板技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，不但廣泛用于通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)，還被應(yīng)用到電視廣播系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)/測(cè)試系統(tǒng)等。

設(shè)計(jì)“頑癥”

盡管串行技術(shù)的應(yīng)用已日益普遍，但許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然橫亙?cè)谠O(shè)計(jì)人員面前。背板子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的“心臟”，它必須能夠在板卡間提供可靠的信號(hào)傳輸。因此，在背板設(shè)計(jì)中，確保很高的信號(hào)完整性(SI)是首要任務(wù)。

另外，采用能夠以極低誤碼率驅(qū)動(dòng)背板的、基于SerDes技術(shù)的適當(dāng)芯片也至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)人員重復(fù)利用舊背板上的早期元件和設(shè)計(jì)規(guī)則的“早期系統(tǒng)升級(jí)”應(yīng)用中，利用芯片元件來(lái)改善SI尤為重要。

開(kāi)發(fā)串行背板協(xié)議和交換接口(fabric interface)也是設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。大多數(shù)背板設(shè)計(jì)都利用了采用專(zhuān)有協(xié)議的早期專(zhuān)用集成電路(ASIC)，甚至一些比較新的背板設(shè)計(jì)也要求采用專(zhuān)有背板協(xié)議。因此，芯片解決方案必須十分靈活，能夠支持必要的定制化。雖然ASIC可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但是，ASIC通常成本高，而且存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楫a(chǎn)品需求量/銷(xiāo)量不確定，可能產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷以及技術(shù)規(guī)格的更改等。

近來(lái)，基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的模塊化交換結(jié)構(gòu)逐漸成為熱點(diǎn)技術(shù)。這種技術(shù)有助于縮短開(kāi)發(fā)周期，但所采用的芯片解決方案必須支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并且允許靈活地對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行獨(dú)具特色的定制。當(dāng)然，還有成本、功耗和上市時(shí)間等不可回避的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)串行背板設(shè)計(jì)中的這一系列挑戰(zhàn)，Xilinx推出了Virtex-5LXT FPGA平臺(tái)和IP解決方案。

串行背板解決方案

面向串行背板應(yīng)用的Xilinx Virtex-5LXT FPGA的關(guān)鍵技術(shù)是嵌入式RocketIO GTP低功耗串行收發(fā)器。最大的Virtex-5LXTFPGA中最高可包含24個(gè)串行收發(fā)器，每個(gè)串行收發(fā)器的運(yùn)行速率范圍均為100Mbps至3.2Gbps。結(jié)合可編程結(jié)構(gòu)，該FPGA能夠以高達(dá)3.2Gbps的速率支持幾乎所有的串行協(xié)議，不論是專(zhuān)有協(xié)議還是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

對(duì)串行背板應(yīng)用而言，更重要的是內(nèi)置信號(hào)調(diào)理特性，包括傳輸預(yù)加重和接收均衡技術(shù)。這些特性可以實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)數(shù)千兆比特的遠(yuǎn)距離(通?？蛇_(dá)40英寸或更遠(yuǎn))信號(hào)傳輸。這兩種均衡方法都是通過(guò)增強(qiáng)高頻信號(hào)分量和衰減低頻信號(hào)分量，來(lái)最大限度地降低符號(hào)間干擾(ISI)的影響。區(qū)別在于，預(yù)加重是對(duì)線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)射信號(hào)執(zhí)行的，而接收均衡則是對(duì)傳入IC封裝的接收信號(hào)執(zhí)行的。預(yù)加重和均衡特性均可編程為不同狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)信號(hào)補(bǔ)償。

除了信號(hào)調(diào)理特性，這些串行接收器還具備其他對(duì)背板有用的特性，如可編程輸出擺幅，這種特性可以實(shí)現(xiàn)與多種其他基于電流型邏輯電路(CML)的器件連接和內(nèi)置交流耦合電容器―可簡(jiǎn)化傳輸線(xiàn)路設(shè)計(jì)、降低ISI。

IP核

大多數(shù)串行背板應(yīng)用依然采用專(zhuān)有協(xié)議。然而，最近的一些新設(shè)計(jì)已開(kāi)始采用XAUI和GbE等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。這主要是因?yàn)橐环矫孢@些標(biāo)準(zhǔn)日益成熟，另一方面基于這些協(xié)議的交換結(jié)構(gòu)專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)也不斷涌現(xiàn)。利用ASSP實(shí)現(xiàn)交換應(yīng)用可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，但是設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，必須通過(guò)提供增值功能(主要是在線(xiàn)卡上)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

由于這些串行收發(fā)器是專(zhuān)為支持大多數(shù)串行背板標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議而設(shè)計(jì)的，因此FPGA是實(shí)現(xiàn)定制特性的理想平臺(tái)。串行收發(fā)器和交換接口一起允許實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，并具有增值功能，而所有這些都是在單個(gè)芯片器件上實(shí)現(xiàn)的。

為了幫助縮短設(shè)計(jì)周期，Xilinx推出了面向XAUI、GbE、SRIO和PCIe等主要串行I/O接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊化IP核。為了確?；ゲ僮餍裕@些IP核經(jīng)過(guò)了一系列兼容性測(cè)試和獨(dú)立的第三方驗(yàn)證。為了有助于產(chǎn)生“輕量級(jí)”串行協(xié)議設(shè)計(jì)，Xilinx還推出了Aurora協(xié)議―它特別適用于要求最大限度地降低開(kāi)銷(xiāo)、優(yōu)化芯片資源利用率的比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

由于以太網(wǎng)和PCIe技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，Virtex-5LXTFPGA也實(shí)現(xiàn)了嵌入式三態(tài)以太網(wǎng)MAC和PCIe端點(diǎn)模塊。這些特性能夠幫助節(jié)省大量FPGA資源，例如那些需要在控制板應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)接口的客戶(hù)。

目前，即使一些比較新的系統(tǒng)仍在使用并行接口芯片，因此，Xilinx也推出了適用于諸如SPI-4.2、SPI-3和PCI等常見(jiàn)并行接口的IP核，以便快速設(shè)計(jì)串行到并行橋，滿(mǎn)足許多應(yīng)用的需求。

除了串行和并行接口IP核，Xilinx還提供了更加完善的IP解決方案，以進(jìn)一步縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間。包括用于優(yōu)化背板流量的流量管理器和允許板卡之間實(shí)現(xiàn)“多對(duì)多”連接功能的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參考設(shè)計(jì)。此外，ChipScope Pro串行I/O工具套件可以幫助設(shè)計(jì)人員快速設(shè)置和調(diào)試串行收發(fā)器，以及進(jìn)行BERT測(cè)試。

應(yīng)用示例

下面，舉例說(shuō)明如何集成所有這些解決方案元件，打造一個(gè)適用于星形系統(tǒng)和網(wǎng)狀系統(tǒng)的完善的串行背板結(jié)構(gòu)接口FPGA。

1. 星形背板拓?fù)鋺?yīng)用

星形背板拓?fù)涫纸?jīng)濟(jì)，尤其是在包含大量板卡的系統(tǒng)中，因此，大量高端基礎(chǔ)設(shè)備采用星形拓?fù)洹D1所示為實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的星形交換接口的10GbE線(xiàn)卡示例。該FPGA例示了一個(gè)XAUI LogiCORE IP核，并利用4個(gè)串行收發(fā)器連接至16通道XAUI交換結(jié)構(gòu)卡。此外，該FPGA還具備一個(gè)LogiCORESPI-4.2核，以連接至10Gbps網(wǎng)絡(luò)處理單元。

圖1：10GbE線(xiàn)卡中的星形結(jié)構(gòu)I/FFPGA。

在串行接口和并行接口之間的是流量管理器IP解決方案，它負(fù)責(zé)對(duì)傳入和傳出的信息流執(zhí)行服務(wù)質(zhì)量(QoS)相關(guān)功能。存儲(chǔ)器控制器負(fù)責(zé)控制主要用作數(shù)據(jù)包緩沖器的外部存儲(chǔ)器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性包括：提高了SerDes和邏輯電路功能的集成度、借助IP解決方案加快了產(chǎn)品上市時(shí)間、同時(shí)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)特定系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。還可提供不錯(cuò)的信號(hào)完整性和很低的SerDes功耗(總功耗僅為400mW左右)等。客戶(hù)可以在XC5VLX50T器件上實(shí)現(xiàn)這一切。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

雖然大多數(shù)系統(tǒng)都采用星形拓?fù)?，但一些小系統(tǒng)則需要采用網(wǎng)狀拓?fù)洹＠?，圖2所示的5插槽IP DSL接入多路復(fù)用器需要在4個(gè)24端口VDSL線(xiàn)卡和一個(gè)連接至城域以太網(wǎng)的10GbE回程卡之間實(shí)現(xiàn)完全連接。每片板卡都利用1個(gè)Virtex-5LXT器件和4個(gè)嵌入式串行收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物理層通道。這4個(gè)鏈路層基于Aurora協(xié)議，以3Gbps左右的速率傳輸2.4Gbps有效載荷和編碼之類(lèi)的其它開(kāi)銷(xiāo)。

圖2：10GbE線(xiàn)卡中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)I/FFPGA。

中繼卡(trunk card)和線(xiàn)卡分別采用了SPI-4.2和SPI-3LogiCOREIP核，為網(wǎng)絡(luò)處理器提供了連接功能。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參考設(shè)計(jì)和流量管理器解決方案為所有線(xiàn)卡提供了分布式交換和QoS功能。

線(xiàn)卡邏輯接口可以輕松地裝入到XC5VLX30T器件上，而中繼卡接口結(jié)構(gòu)則可裝入到XC5VLX50T器件上。與星形系統(tǒng)示例類(lèi)似，利用Virtex-5LXT解決方案，可以提高集成度、縮短上市時(shí)間、優(yōu)化系統(tǒng)特性、降低功耗和成本等。

本文結(jié)論

如今，串行背板技術(shù)已成為主流技術(shù)。隨著帶寬要求的與日俱增，將有越來(lái)越多的應(yīng)用采用串行背板技術(shù)。同時(shí)，背板子系統(tǒng)對(duì)速率和協(xié)議的要求必然會(huì)越來(lái)越高，設(shè)計(jì)人員將面臨層出不窮的新挑戰(zhàn)。

然而，有了XilinxVirtex-5LXTFPGA和面向串行背板的現(xiàn)有IP解決方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以在升級(jí)早期系統(tǒng)和設(shè)計(jì)新的背板之間進(jìn)行選擇。具有嵌入式SerDes的Virtex-5LXTFPGA擁有旨在改善SI的關(guān)鍵特性，和實(shí)現(xiàn)高度可靠、面積與成本優(yōu)化的設(shè)計(jì)所需的高度集成。(Xilinx公司有線(xiàn)通信部)