基于Spartan-6的16路高速串行傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：高速串行傳輸的設(shè)計(jì)是FPGA設(shè)計(jì)的一個重要方面。在串行傳輸的設(shè)計(jì)中摒棄了采用FPGA內(nèi)部邏輯資源實(shí)現(xiàn)從而限制了串并轉(zhuǎn)換速度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，SelectIOTM接口技術(shù)給FPGA實(shí)現(xiàn)高速串行傳輸提供了良好的舞臺，本文詳細(xì)闡述了1：8 DDR模式下16路高速串行傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/實(shí)現(xiàn)">實(shí)現(xiàn)，并通過了16路高速串行傳輸達(dá)到12．8Gbit／s傳輸速率的板級試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：低電壓差分信號；串并轉(zhuǎn)換；現(xiàn)場可編程門陣列；串化器／解串器

0 引言
用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)開發(fā)高速系統(tǒng)時常常需要實(shí)現(xiàn)高速串行傳輸，傳統(tǒng)的做法是直接利用FPGA的內(nèi)部邏輯資源來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但這樣做往往使得傳輸?shù)臅r鐘的最高頻率受FPGA內(nèi)部資源利用率、布局布線等因素的影響，難以滿足設(shè)計(jì)要求，并最終影響整個系統(tǒng)的性能。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步與市場需求的日益增加，超大規(guī)模、高速、低功耗的新型FPGA不斷推出，給高速電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。賽靈思(Xilinx)公司在其新的面向低端的partan-6系列產(chǎn)品中集成了輸入串并轉(zhuǎn)換器(ISEKDES)和輸出并串轉(zhuǎn)換器(OSERDES)，能夠提供高速的I／O處理能力，不受FPGA內(nèi)部資源的限制，不占用系統(tǒng)邏輯資源。
本文以兩片XC6SLX150之間以16路高速數(shù)據(jù)通信為例，介紹了SERDES(串化器／解串器)的工作原理與具體應(yīng)用。其中每片F(xiàn)PGA需要接收并發(fā)送高速的16路串行數(shù)據(jù)并在接收時將其轉(zhuǎn)換為128位并行數(shù)據(jù)做其它處理，為了實(shí)現(xiàn)高速串行傳輸，同時又不占用芯片內(nèi)部的邏輯資源，我們用Xilinx的SERDES源語方便、快速地實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)。

1 Spartan-6簡介
Xilinx目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺的芯片基礎(chǔ)融合了行業(yè)領(lǐng)先的工藝，可編程的邏輯技術(shù)和收發(fā)器功能以及用于高級存儲支持的控制器，從而可以為成本敏感應(yīng)用提供高性能的FPGA。高級功耗管理技術(shù)的創(chuàng)新，結(jié)合以更低的1．0V電源操作的核心選項(xiàng)，讓新的Spartan-6 FPGA系列比前幾代Spartan系列的功耗降低了65％。該公司的partan-6系列正是一款為滿足低成本和低功耗設(shè)計(jì)要求而推出的系列產(chǎn)品。
運(yùn)用第六代Spartan FPGA系列產(chǎn)品，系統(tǒng)開發(fā)人員可以在將系統(tǒng)成本減半，開發(fā)出功耗更低的“更環(huán)保”的產(chǎn)品的同時，達(dá)到新的功能要求。Spartan-6 FPGA支持汽車信息娛樂、平板顯示器、多功能打印機(jī)、機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控等應(yīng)用，它能對低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、高性能進(jìn)行最優(yōu)平衡。
Spartan-6 FPGA系列雙寄存器、六輸入的高效LUT邏輯結(jié)構(gòu)采用了行業(yè)領(lǐng)先的Virtex架構(gòu)，可以跨平臺兼容和提高系統(tǒng)性能。由于增加了Virtex系列的系統(tǒng)級模塊，其中包括DSP slice、高速收發(fā)器以及PCI Express端點(diǎn)模塊，因此實(shí)現(xiàn)了比以往更大的系統(tǒng)級集成。Spartan-6 FPGA系列由兩個領(lǐng)域優(yōu)化的子系列組成，該系列所提供的功能組合，可以達(dá)到價(jià)格敏感的大批量應(yīng)用的嚴(yán)苛要求：Spartan-6 LX FPGAs和Sp-artan-6 LXT FPGAs。
Spartan-6 LX FPGAs針對需要絕對最低成本的應(yīng)用而優(yōu)化。該平臺器件支持高達(dá)147k邏輯密度、4．8Mb存儲器、集成存儲控制器、DSP slice以及易用的高性能硬IP，同時采用了創(chuàng)新的基于開放標(biāo)準(zhǔn)的配置。
Spartan-6 LXT FPGAs擴(kuò)展了LX系列，可提供多達(dá)八個3．125Gb／s GTP收發(fā)器和一個集成的PCI Express模塊，它們都采用了成熟的Vir-tex FPGA系列技術(shù)，可以為串行連接提供業(yè)界風(fēng)險(xiǎn)最低、成本最低的解決方案。
本文中采用Spartan-6 LX FPGAs中的XC6SLX150-EG(G)4．84進(jìn)行板級驗(yàn)證測試。該芯片內(nèi)的SelectIOTM接口技術(shù)(多電壓、多標(biāo)準(zhǔn)Selec-tIO模塊組)有如下性能：
·每個差分I／O具有最高1050 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率
·可選輸出驅(qū)動，最高每針腳24mA
·3．3V到1．2V I／O標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
·低成本HSTL和SSTL內(nèi)存接口
·符合熱插拔標(biāo)準(zhǔn)
·可調(diào)整I／O轉(zhuǎn)換速率，改進(jìn)信號完整性

2 SERDES的結(jié)構(gòu)與工作原理
所有Spartan-6型號的器件的I／O Tile都包括兩個IOBs、兩個ILOGICs、兩個OLOGICs和兩個IODELAYs。其中ILOGICs和OLOGICs可以配置為輸入SerDes(ISERDES)或者輸出SerDes(OSERDES)模塊或者其他I／O接口。如圖1所示為Spartan-6 FPGA的I／O Tile。

每一款該型號的FPGA的輸入／輸出模塊(IOB)包含一個4-bit輸入SerDes和一個4-bit輸出SerDes，兩個相鄰的SerDcs模塊(主模塊和從模塊)級聯(lián)在一起可以生成一個8bit IOB，這使得每一個IOB不論在SDR模式下或是在DDR模式下其數(shù)據(jù)的輸入輸出串并轉(zhuǎn)換速率從2：1到8：1都成為可能。
2．1 ISERDES
每一款Spartan-6型號FPGA的IOB的輸入SerDes都可以甩ISERDES2源語來實(shí)例化。
ISERDES2是Spartan-6內(nèi)部集成的輸入串并轉(zhuǎn)換器源語，支持單倍數(shù)據(jù)速率(SDR)和雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)兩種模式。這兩種模式均可以進(jìn)行編程操作，在SDR模式下，可以實(shí)現(xiàn)1bit串行數(shù)據(jù)到生成2、3、4bit的并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；在DDR模式下，可以實(shí)現(xiàn)1bit串行數(shù)據(jù)到5、6、7及8bit并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)生成數(shù)據(jù)的位寬大于6時，需要采用主從模式將兩個相鄰的ISER2DES2模塊連接在一起。每一個ISERDES2還包括一個由設(shè)計(jì)者提供BITSL IP(比特偏移控制)操作的并行數(shù)據(jù)字對齊邏輯。SerDes的串并轉(zhuǎn)換速率之比指的是用于捕捉數(shù)據(jù)的高速I／O時鐘和用于處理并行數(shù)據(jù)的低速內(nèi)部邏輯時鐘之比，例如，一個500MHz的單端I／O 時鐘接收500MHz的數(shù)據(jù)，ISERDES2的串并轉(zhuǎn)換速率為4：1指的是FPGA采用125MHz時鐘來處理接收的并行數(shù)據(jù)。