FPGA高速收发器的来源

本文主要讲解的是FPGA高速收发器的来源，着重从三个方面解析，可能部分理解会存在有错误，想要不一致的可以来评论区交流哦。

01回顾其余接口

首先应该了解这种接口出现的原因，为什么会有这种接口出现，就拿ADC芯片的接口举例吧。

下图是ad7606芯片的串行数据传输模式的时序图，像这种采样率较低，一般小于1MHz。一般使用spi这种低速接口即可，也是出现比较早的接口。

图1 ad7606时序图

下图ad9226的时序图，接口包含一根时钟线CLOCK和一组数据线DATA OUT，每个时钟传输一个数据，时钟频率最大可以达到65MHz。

图2 ad9226时序图

之后ADC芯片的采样率进一步提升，高于100MHz，为了提高数据传输的稳定性，将时钟和数据都变为差分信号，增加抗干扰能力。如下图是ads4225的LVDS接口时序图。

图3 ADS4225的LVDS接口时序图

上述ad9226和ads4225的LVDS并行接口，时钟线和数据线都要保证等长。

举个例子，如下图所示，在时钟上升沿采集data的数据，由于data数据线并没有严格等长，data[2]的线比较短，第二个时钟上升沿之后一段时间就传输到FPGA的端口寄存器了，data[4]的走线比较长，第三个时钟上升沿之后都没有传输到FPGA的端口寄存器，那么在clk第三个时钟上升沿会采集到错误数据。这就是为什么数据线和时钟线均要做等长的原因。

这种少数走线差别可以通过FPGA的input delay进行约束，需要计算每根线的PCB走线延迟，输出寄存器延时等等，会比较麻烦，并且不能对代码进行移植，所以对于这种并行传输的接口在设计PCB时数据线和时钟线必须做等长处理。

图4 并行数据传输

但LVDS的数据线和时钟线都是差分信号，导致数据线很多，等长处理很麻烦，但是还能有效果。比如时钟频率200MHz，那么数据只要在5ns之内能够稳定传输到输入寄存器也没有问题，即使每根走线之间有点差距，也问题不大。

但如果时钟频率继续增加，就要求增加走线等长的精度。当数据传输速率大于2Gbps时，时钟周期小于0.5ns，此时即使微小的等长差距也会引发错误，甚至无法完成这样的PCB布线。

在这种传输速率下，并行接口将不再合适，进而推出了高速串行接口。

高速串行接口取消了时钟线，只有一对差分数据线，接收端通过CDR技术从串行数据中恢复时钟信号，之后将数据与时钟同步给用户。像PCIE、JE204B接口均是高速串行接口。

使用串行接口就可以避免时钟同步和多位宽数据等长问题，但是对于恢复时钟和数据接收难度就增大了，发展到如今，高速串行接口也已经很成熟了。

02FPGA中其余接口

FPGA内部包含普通bank和gt bank两种，后者就是高速收发器所在bank。xilinx的芯片根据架构不同，包含不同类型的bank，其中A7只有HR bank，而K7除此之外还包含HP bank。下文将展示这些普通bank能够达到的数据传输速率。

如下图所示，以K7为例，平常使用芯片速度等级大多为-2，因此以-2举例。HP和HR bank的单沿数据传输速率均可以达到710Mb/s。

图5 接口性能

对于K7的DDR3硬核数据收发速率基本可以达到1600Mb/s以上，如下图所示。

图6 K7内存接口IP的最大物理接口速率

下图是A7的DDR控制器的数据收发速率，一般在800Mb/s左右，是K7速率的一半。

图7 A7内存接口IP的最大物理接口速率

由上述可知，除了DDR硬核控制器之外，HP和HR bank的ISERDES和OSERDES即使能够实现单沿并行数据与双沿串行数据的转换，但是数据传输的速率依旧不是很高。如果要应对高速ADC和PCIE这些接口，显然速率不够。

03Gigabyte Transceiver

基于上述原因，xilinx就推出了Gigabyte Transceiver。Xilinx 7系列的FPGA支持的GT一共有四种，分别为：GTP，GTX，GTH，GTZ，区别在于线速率不同。

其中GTP被用于A7系列，GTX通常被用于K7系列，GTH一般被用于V7系列，GTZ被用于少数V7系列。

GTP线速率可以达到6.6Gb/s，具体速率与芯片的速度等级有关，如下表所示，速度等级为-2的芯片线速率可以达到6.6Gb/s。

图8 GTP速率

GTX线速率可以达到12.5Gb/s，我用的芯片型号为xc7z030ffg676-2，因此速率可以达到10.3125Gb/s，可以实现万兆网传输。从下图知最大速率与QPLL和CPLL也有关，当线速率大于5.93GHz时使用QPLL。

图9 GTX速率

GTH线速率可以达到13.1Gb/s，如下图所示，GTZ线速率可以达到28.05Gb/s，暂时没有找到其数据手册。

图10 GTH速率

关于GT收发器出现背景以及HP、HR bank、高速收发器的速率就讲解到这里吧。

来源：本文转载自数字站公众号