選擇合適的FPGA千兆位收發(fā)器至關(guān)重要

選擇合適的千兆位收發(fā)器（GT）是通信和實時處理領(lǐng)域尤其需要重點考慮的設(shè)計事項，但特定的市場領(lǐng)域可能會存在太多的標準、協(xié)議或使用模型。有時針對某一種應(yīng)用就會涉及到好幾種標準，為了選擇最適合的千兆位收發(fā)器，必須對各種協(xié)議的最新發(fā)展情況了如指掌。

從無線通信到消費電子產(chǎn)品的眾多不同市場領(lǐng)域都具有業(yè)界標準連接協(xié)議。了解高級協(xié)議及其與低層協(xié)議規(guī)范的關(guān)系并充分留意不同行業(yè)對 PHY 定義的情況，將有助于選擇最好的LogiCORE IP高速串行收發(fā)器架構(gòu)向?qū)f(xié)議模板，進而實現(xiàn)我們的設(shè)計目標。首先來回顧一下這些相關(guān)協(xié)議。

OSI：連接協(xié)議模板
開放系統(tǒng)互連(OSI)是一種面向全球通信的ISO標準。該標準定義了一個分七層實施協(xié)議的框架。控制信息從某一站點的應(yīng)用層開始向下逐層傳遞，直至最底層的物理層，隨后通過通道傳輸?shù)较乱徽军c。而信息返回時經(jīng)過各層的順序則與之相反。

三個PHY子層
當前普遍使用的許多串行連接協(xié)議都在模仿OSI的分層模型。PHY層包括2?3個子層，分別為物理編碼子層(PCS)、物理介質(zhì)連接(PMA)子層和可選的物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)。圖1以方框圖的形式顯示了各層之間的關(guān)系。

圖1 Virtex-5 RX物理子層PCS、PMA和PMD示例方框圖

數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)在發(fā)送時以正向順序傳輸，即從介質(zhì)訪問控制(MAC)層到PCS、PMA及PMD，而接收時的順序則與之相反。

PHY使用方面的混亂狀態(tài)
人們很容易將PHY誤認為是硅芯片，而混淆其用途。PHY是一個包括子層的規(guī)范層。我們可用單一或多個器件實施設(shè)計人員通常稱之為電子規(guī)范的PHY。對子層的使用主要取決于具體的細分市場和所用協(xié)議。

通信協(xié)議中的PHY層通常使用的是PCS、PMA和PMD子層。圖2顯示的是在局域網(wǎng)應(yīng)用中使用賽靈思TEMAC (10M/100M/1G) LogiCORE的示例，其中千兆位以太網(wǎng)MAC接連與1000BASE-X PCS/PMA和激光收發(fā)器1000BASE-X PMD進行通信。此時，PHY同時實施在了FPGA和可選的光學(xué)收發(fā)器器件之中。

圖2 以太網(wǎng)通信應(yīng)用中的PHY PCS、PMA和PMD層示例

硬化或嵌入式IP考慮事項
賽靈思通常會在FPGA中直接集成PCI Express和千兆位以太網(wǎng)等常用的協(xié)議。這硬化版本可實施協(xié)議的部分或全部功能。在上述這兩種情況中，LogiCORE封裝作為LogiCORE產(chǎn)品的一部分實施MAC和物理層（PCS和PMA）。封裝包含硬化模塊并與高速串行收發(fā)器相連接。就TEMAC而言，硬化IP實施MAC和部分PCS以及PCI Express LogiCORE的事務(wù)處理和數(shù)據(jù)鏈路層。可用賽靈思的高速串行收發(fā)器向?qū)聿榭床⑿薷腉TP/GTX設(shè)置。

10Gb以太網(wǎng)——XAUI
10Gb以太網(wǎng)標準是一種IEEE規(guī)范，其定義的標稱速率是千兆位以太網(wǎng)的10倍。物理層包含的一個接口可將MAC連接于PHY、PCS、PMA和PMD。至于賽靈思LogiCORE，10Gb媒體獨立接口 (XGMII)可連接至光學(xué)模塊或10Gb以太網(wǎng)XAUI。PMA和PMD既可視為外部器件（如在光學(xué)收發(fā)器中），也可以視為XAUI的一部分（如在芯片間或背板應(yīng)用中）。

通用分組無線接口v4.0
通用分組無線接口(CPRI)可用于無線電設(shè)備控制器或基站以及一個或多個無線電設(shè)備單元之間的連接。CPRI規(guī)范涵蓋了OSI堆棧的第一層和第二層，物理層（第一層）定義了傳統(tǒng)基站使用的電氣接口以及支持遠程無線電設(shè)備的基站光學(xué)接口。賽靈思CPRI LogiCORE在GT中實施PHY，在FPGA邏輯中實施數(shù)據(jù)鏈接（第二層）。

3G和6G OBSAI RP3-01
OBSAI RP3-01蜂窩式基站協(xié)議分為較低的物理層和較高的應(yīng)用、傳輸和數(shù)據(jù)鏈路層。應(yīng)用層可連接于基帶或RF卡，而數(shù)據(jù)鏈路層可連接于物理層。賽靈思用FPGA中的收發(fā)器實施PHY，處理電氣部分，并連接到外部光學(xué)收發(fā)器模塊。

第一代和第二代PCI Express
PCI Express協(xié)議應(yīng)用于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)處理層。由于這種標準非常通用，因此新興串行協(xié)議往往尋求在電氣規(guī)范方面與其兼容或類似，據(jù)此，ASSP和其他PHY器件廠商就能重用精心測試的IP產(chǎn)品了。賽靈思通過自身及其AllianceCORE合作伙伴在集成式硬IP模塊和軟IP中實施了第一代和第二代PCI Express協(xié)議。

串行RapidIO
雖然串行RapidIO協(xié)議與PCI Express一樣也應(yīng)用于三個層中，但卻分別為物理層、邏輯層和傳輸層。由于 RapidIO和XAUI的應(yīng)用目標類似，串行RapidIO設(shè)計人員因而能重用其現(xiàn)有的XAUI電氣設(shè)計方案。賽靈思GT向?qū)Э赏ㄟ^串行RapidIO模板支持串行RapidIO PHY。

三速SDI視頻
三速SDI視頻參考設(shè)計是基于SMPTE標準之上的。與高速串行收發(fā)器的物理連接是通過差動CML驅(qū)動外部線纜驅(qū)動器（用于傳輸）或外部適應(yīng)性接收均衡器來實現(xiàn)的。各標準間常用的串行化協(xié)議非常具體，設(shè)計時采用的是FPGA結(jié)構(gòu)。該協(xié)議需要較多的AC耦合電容進行大量的1和0運算。

賽靈思三模以太網(wǎng)
三模以太網(wǎng)MAC是賽靈思實施10/100/1Gb以太網(wǎng)協(xié)議的一種標準。賽靈思提供TEMAC LogiCORE（軟IP）和用于集成模塊的三模以太網(wǎng)封裝（硬IP）。就軟IP而言，1000BASE-X PCS/PMA或SGMII LogiCORE可實現(xiàn)無縫連接。SGMII是支持10/100/1G操作的串行連接標準。

TEMAC封裝即硬TEMAC子塊和GT I/O塊中通常采用的HDL 封裝（1000BASE-X/SGMII已經(jīng)集成于TEMAC）。具體實施細節(jié)請查閱以太網(wǎng)LogiCORE文檔資料。

GT向?qū)еС植捎肎igE (SGMII/1000Base-X)模板的三模以太網(wǎng)協(xié)議。

總而言之，業(yè)界標準協(xié)議日新月異，差不多每年都會出現(xiàn)一兩種新標準。因此就這點而言，其術(shù)語和基礎(chǔ)技術(shù)的復(fù)雜程度堪比稅法。而對給定協(xié)議的物理層方案了解得越詳細，就越易于確定所要使用的極佳高速串行收發(fā)器向?qū)f(xié)議，從而為設(shè)計項目開創(chuàng)一個良好的局面。