利用Virtex-5LXT应对串行背板接口设计挑战

采用串行技术进行高端系统设计已占很大比例。在《EETimes》杂志最近开展的一次问卷调查中，有92%的受访者表示2006年已开始设计串行I/O系统，而在2005年从事串行设计的仅占6?%。

　　串行技术在背板应用中的盛行，大大促进了这一比例的提高。随着对系统吞吐量的要求日益提高，陈旧的并行背板技术已经被带宽更高、信号完整性更好、电磁辐射和功耗更低、PCB设计更为简单的基于串行解串器(SerDes)技术的背板子系统所代替。

　　诸如XAUI和千兆位以太网(GbE)等有助于简化设计、实现互操作性的标准串行协议的问世，进一步推动了串行技术的应用。此外，PCI工业计算机制造商协会(PICMG)制定的AdvancedTCA和MicroTCA等串行背板规格标准，也对串行技术的快速普及起到了重要作用。串行背板技术具有极大的优越性，不但广泛用于通信系统、计算机系统、存储系统，还被应用到电视广播系统、医疗系统和工业/测试系统等。

　　
设计“顽症”

　　尽管串行技术的应用已日益普遍，但许多设计挑战依然横亘在设计人员面前。背板子系统是整个系统的“心脏”，它必须能够在板卡间提供可靠的信号传输。因此，在背板设计中，确保很高的信号完整性(SI)是首要任务。

　　另外，采用能够以极低误码率驱动背板的、基于SerDes技术的适当芯片也至关重要。在设计人员重复利用旧背板上的早期元件和设计规则的“早期系统升级”应用中，利用芯片元件来改善SI尤为重要。

　　开发串行背板协议和交换接口(fabric interface)也是设计人员面临的一个挑战。大多数背板设计都利用了采用专有协议的早期专用集成电路(ASIC)，甚至一些比较新的背板设计也要求采用专有背板协议。因此，芯片解决方案必须十分灵活，能够支持必要的定制化。虽然ASIC可以实现这一点，但是，ASIC通常成本高，而且存在风险，因为产品需求量/销量不确定，可能产生设计缺陷以及技术规格的更改等。

　　近来，基于现有标准的模块化交换结构逐渐成为热点技术。这种技术有助于缩短开发周期，但所采用的芯片解决方案必须支持标准协议，并且允许灵活地对最终产品进行独具特色的定制。当然，还有成本、功耗和上市时间等不可回避的挑战。为了应对串行背板设计中的这一系列挑战，Xilinx推出了Virtex-5LXT FPGA平台和IP解决方案。

　　
串行背板解决方案

　　面向串行背板应用的Xilinx Virtex-5LXT FPGA的关键技术是嵌入式RocketIO GTP低功耗串行收发器。最大的Virtex-5LXTFPGA中最高可包含24个串行收发器，每个串行收发器的运行速率范围均为100Mbps至3.2Gbps。结合可编程结构，该FPGA能够以高达3.2Gbps的速率支持几乎所有的串行协议，不论是专有协议还是标准协议。

　　对串行背板应用而言，更重要的是内置信号调理特性，包括传输预加重和接收均衡技术。这些特性可以实现速率高达数千兆比特的远距离(通常可达40英寸或更远)信号传输。这两种均衡方法都是通过增强高频信号分量和衰减低频信号分量，来最大限度地降低符号间干扰(ISI)的影响。区别在于，预加重是对线路驱动器输出的发射信号执行的，而接收均衡则是对传入IC封装的接收信号执行的。预加重和均衡特性均可编程为不同状态，以实现最优信号补偿。

　　除了信号调理特性，这些串行接收器还具备其他对背板有用的特性，如可编程输出摆幅，这种特性可以实现与多种其他基于电流型逻辑电路(CML)的器件连接和内置交流耦合电容器―可简化传输线路设计、降低ISI。

IP核

　　大多数串行背板应用依然采用专有协议。然而，最近的一些新设计已开始采用XAUI和GbE等标准化协议。这主要是因为一方面这些标准日益成熟，另一方面基于这些协议的交换结构专用标准产品(ASSP)也不断涌现。利用ASSP实现交换应用可以大大缩短开发周期，但是设计人员发现，必须通过提供增值功能(主要是在线卡上)来实现产品差异化。

　　由于这些串行收发器是专为支持大多数串行背板标准协议而设计的，因此FPGA是实现定制特性的理想平台。串行收发器和交换接口一起允许实现符合标准的设计，并具有增值功能，而所有这些都是在单个芯片器件上实现的。

　　为了帮助缩短设计周期，Xilinx推出了面向XAUI、GbE、SRIO和PCIe等主要串行I/O接口标准的模块化IP核。为了确保互操作性，这些IP核经过了一系列兼容性测试和独立的第三方验证。为了有助于产生“轻量级”串行协议设计，Xilinx还推出了Aurora协议―它特别适用于要求最大限度地降低开销、优化芯片资源利用率的比较简单的设计。

　　由于以太网和PCIe技术的应用范围越来越广，Virtex-5LXTFPGA也实现了嵌入式三态以太网MAC和PCIe端点模块。这些特性能够帮助节省大量FPGA资源，例如那些需要在控制板应用中实现接口的客户。

　　目前，即使一些比较新的系统仍在使用并行接口芯片，因此，Xilinx也推出了适用于诸如SPI-4.2、SPI-3和PCI等常见并行接口的IP核，以便快速设计串行到并行桥，满足许多应用的需求。

　　除了串行和并行接口IP核，Xilinx还提供了更加完善的IP解决方案，以进一步缩短产品开发周期和上市时间。包括用于优化背板流量的流量管理器和允许板卡之间实现“多对多”连接功能的网状结构参考设计。此外，ChipScope Pro串行I/O工具套件可以帮助设计人员快速设置和调试串行收发器，以及进行BERT测试。

　　
应用示例

　　下面，举例说明如何集成所有这些解决方案元件，打造一个适用于星形系统和网状系统的完善的串行背板结构接口FPGA。

　　1. 星形背板拓扑应用

　　星形背板拓扑十分经济，尤其是在包含大量板卡的系统中，因此，大量高端基础设备采用星形拓扑。图1所示为实现了基于FPGA的星形交换接口的10GbE线卡示例。该FPGA例示了一个XAUI LogiCORE IP核，并利用4个串行收发器连接至16通道XAUI交换结构卡。此外，该FPGA还具备一个LogiCORESPI-4.2核，以连接至10Gbps网络处理单元。

　　
图1：10GbE线卡中的星形结构I/FFPGA。

　　在串行接口和并行接口之间的是流量管理器IP解决方案，它负责对传入和传出的信息流执行服务质量(QoS)相关功能。存储器控制器负责控制主要用作数据包缓冲器的外部存储器。这种结构的优越性包括：提高了SerDes和逻辑电路功能的集成度、借助IP解决方案加快了产品上市时间、同时实现客户特定系统技术规范。还可提供不错的信号完整性和很低的SerDes功耗(总功耗仅为400mW左右)等。客户可以在XC5VLX50T器件上实现这一切。

网状结构

　　虽然大多数系统都采用星形拓扑，但一些小系统则需要采用网状拓扑。例如，图2所示的5插槽IP DSL接入多路复用器需要在4个24端口VDSL线卡和一个连接至城域以太网的10GbE回程卡之间实现完全连接。每片板卡都利用1个Virtex-5LXT器件和4个嵌入式串行收发器来实现4个独立的网状结构物理层通道。这4个链路层基于Aurora协议，以3Gbps左右的速率传输2.4Gbps有效载荷和编码之类的其它开销。

　　
图2：10GbE线卡中的网状结构I/FFPGA。

　　中继卡(trunk card)和线卡分别采用了SPI-4.2和SPI-3LogiCOREIP核，为网络处理器提供了连接功能。网状结构参考设计和流量管理器解决方案为所有线卡提供了分布式交换和QoS功能。

　　线卡逻辑接口可以轻松地装入到XC5VLX30T器件上，而中继卡接口结构则可装入到XC5VLX50T器件上。与星形系统示例类似，利用Virtex-5LXT解决方案，可以提高集成度、缩短上市时间、优化系统特性、降低功耗和成本等。

　　
本文结论

　　如今，串行背板技术已成为主流技术。随着带宽要求的与日俱增，将有越来越多的应用采用串行背板技术。同时，背板子系统对速率和协议的要求必然会越来越高，设计人员将面临层出不穷的新挑战。

　　然而，有了XilinxVirtex-5LXTFPGA和面向串行背板的现有IP解决方案，系统结构设计人员可以在升级早期系统和设计新的背板之间进行选择。具有嵌入式SerDes的Virtex-5LXTFPGA拥有旨在改善SI的关键特性，和实现高度可靠、面积与成本优化的设计所需的高度集成。