RocketIO及其在高速數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

　　1.1 輸入時(shí)鐘

　　RocketIO有三種時(shí)鐘輸入方式：專用差分時(shí)鐘、共享鄰近GTP_Dual的時(shí)鐘、以及使用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘。Rocket I/O GTP時(shí)鐘輸入方式如圖2 所示。

　圖2 Rocket I/O GTP時(shí)鐘輸入方式

　　使用專用差分時(shí)鐘時(shí)，差分的時(shí)鐘信號(hào)通過輸入差分緩沖器變?yōu)閱味藭r(shí)鐘，輸入到GTP_Dual Tile中的PLL，當(dāng)使用的時(shí)鐘源精度滿足要求時(shí)具有最優(yōu)的時(shí)鐘穩(wěn)定性。

　　從相鄰GTP_Dual Tile獲得時(shí)鐘時(shí)需要使用GTP專用的時(shí)鐘通路，但此時(shí)GTP_Dual與提供時(shí)鐘的GTP_Dual Tile間隔的GTP_Dual Tile個(gè)數(shù)不能超過兩個(gè)，即每對(duì)差分輸入時(shí)鐘最多可驅(qū)動(dòng)7個(gè)GTP_Dual Tile。

　　相比于上述兩種時(shí)鐘輸入方式，從FPGA內(nèi)部獲得時(shí)鐘時(shí)鐘精度最差。這是因?yàn)楣饫w，F(xiàn)PGA內(nèi)部使用的時(shí)鐘經(jīng)過邏輯電路以及BUFG或BUFR緩沖后，會(huì)引入較大的時(shí)間抖動(dòng)。但由于在FPGA內(nèi)部可以靈活變換參考時(shí)鐘頻率，因此在速度與精度要求不太高的場合可采用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于誤碼率要求在1‰以下的應(yīng)用，從FPGA內(nèi)部獲得的時(shí)鐘信號(hào)可以滿足要求。

　　1.2 PLL參數(shù)設(shè)置

　　時(shí)鐘信號(hào)輸入到GTP_Dual Tile內(nèi)部后還需要經(jīng)過PLL的進(jìn)一步處理才能使用。PLL可向兩個(gè)RocketIO提供相互獨(dú)立的各種時(shí)鐘信號(hào)。PLL內(nèi)部時(shí)鐘變換結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLL內(nèi)部時(shí)鐘變換結(jié)構(gòu)

　　需要注意的是，由于此PLL可用參數(shù)（PLL_DIVSEL_FB = [1,2,3,4,5], PLL_DIVSEL_REF = [1,2]）有限，為獲得高速串行通信所需頻率，輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘CLKIN僅可在有限范圍內(nèi)選擇。因此，參考時(shí)鐘需通過專用的具有相應(yīng)頻率的晶振提供或在FPGA內(nèi)部經(jīng)DCM或PLL變換獲得。

　　1.3 PCB設(shè)計(jì)

　　RocketIO產(chǎn)生的高速串行信號(hào)速度在1 GHz以上時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入微波范圍。因此在使用時(shí)，其PCB電路的制作也是影響信號(hào)傳輸效果的重要因素。

　RocketIO的供電必須由專用的電源管理模塊提供，不能與其他模塊電源共享，以減少噪聲引入。即使GTP中同一種電源的不同引腳之間也需要通過濾波電路進(jìn)行隔離，以減少相互之間的影響。為平衡GTP_Dual Tile的負(fù)載，只使用其中的一個(gè)GTP時(shí)，兩個(gè)GTP的供電應(yīng)以同樣策略進(jìn)行處理。

　　在布線時(shí)，高速差分對(duì)走線應(yīng)當(dāng)有最高的優(yōu)先級(jí)，以保證其電氣特性滿足微帶線或帶狀線的要求。走線應(yīng)當(dāng)盡量直、短并具有最少的信號(hào)層變化。為減少干擾信號(hào)的影響，高速線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其他有可能會(huì)帶來噪聲的信號(hào)線，同時(shí)信號(hào)線拐角采用45°而避免使用直角。為保證信號(hào)的完整性，高速差分信號(hào)線的參考平面須保持連續(xù)，并盡量以地平面為參考，否則其阻抗特性會(huì)發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致信號(hào)的反射增強(qiáng)。

　　　2 RocketIO在高速信號(hào)傳輸中的應(yīng)用

　　在多種高速數(shù)據(jù)處理場合都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速收發(fā)。以超高速信號(hào)采集系統(tǒng)為例，當(dāng)采用ADC08D1500采集芯片時(shí)，最高可以實(shí)現(xiàn)單通道3 Gsps的超高速采樣率，數(shù)據(jù)精度為8位。這時(shí)就需要具有足夠高傳輸速率的信號(hào)傳輸機(jī)制對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。若實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)通信，可采用PCI Express傳輸協(xié)議；若實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間通信，則可使用光纖通信協(xié)議或千兆以太網(wǎng)協(xié)議。在工程中，上述協(xié)議都可通過專用的芯片來實(shí)現(xiàn)，但也使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，同時(shí)使電路板的設(shè)計(jì)空間緊張。而RocketIO對(duì)多種高速傳輸協(xié)議的支持，可以使得PCI Express協(xié)議、光纖傳輸協(xié)議或千兆以太網(wǎng)協(xié)議在同一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的集成度，并使得信號(hào)的處理機(jī)制更加靈活。在本文的設(shè)計(jì)中，采用了PCI Express傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)通信，采用Aurora光纖傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 超高速采集系統(tǒng)框圖