FPGA如何发出高速串行信号

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本篇主要讨论FPGA如何发出高速串行信号。

高速串行通信的“高速”一般比较高，基本至少都会上G。如果利用FPGA内部的LUT、触发器和普通IO是无法满足这样高的输入输出速率的。

例：假设线速度需要跑到1G，那么我们FPGA内部逻辑就需要跑到1GHz，才可以对外发出1G的bit流（即使采用DDR的方式发出，也需要内部500MHz）。这么高的频率，FPGA内部一般是无法达到的。

那么FPGA是如何实现这种高速输出和输入的呢？

FPGA内部除了LUT、触发器和IOB以外，厂商还在FPGA内部加入了很多可配置的硬核电路，高速收发器就是其中之一（并不是所有的FPGA都有）。

那么这个高速收发器的电路怎么理解呢？

可以先这么认为，对于输出来说它就是一个升频降位宽的电路。

注：输出不一定有时钟输出

例：输入时钟125MHz，数据并行10bit；经过高速发送器后，可以变为输出速率为1.25GHz，数据为串行1bit；

此时FPGA内部只需要运行再一个相对较低的频率，进行并行处理数据即可。

对于输入来说它就是一个降频增位宽的电路。

注：输入不一定有时钟输入

例：输入时钟1.25GHz，数据串行1bit；经过高速接收器后，可以变为输入速率为125MHz，数据为并行10bit；

此时FPGA内部只需要运行再一个相对较低的频率，进行并行处理数据即可。

下面简单介绍一下FPGA内部的高速收发器（主要以Xilinx的A7 FPGA为例，其他的“大概”大同小异）。

FPGA内部的高速收发器一般称为GT（GT的意思是Gigabyte Transceiver），速度根据器件的不同能够支持的速率也不相同。在Xilinx 7系列的FPGA中，按支持的最高线速率排序，GTP是最低的，GTZ是最高的。GTP被用于A7系列，GTZ被用于少数V7系列。从K7到V7，最常见的是GTX和GTH。GTH的最高线速率比GTX稍微高一点点。

下图是Xilinx A7 FPGA内部的高速收发器（GTP）。

GTP对外的管脚也不是普通的IO，必须得是专门的IO（单独的bank）。

下图为A7 FPGA 的支持GTP的bank（一般称为MGT：Multi-Gigabit Transceiver bank）。

上述的电路图中有四路收发器（一发一收称为1路收发器，收发都是差分信号）。四路收发器被称为一个 Quad GT。

每一路的收发器的内部如下：

发送器：

接收器：

在分析发送器和接收器之前，我们先了解几个名词。

PMA：

PMA是物理介质子层(Physical Medium Attachment)，它负责管理电气、时钟和定时等物理层面的信号特性。PMA还处理高速数据传输所需的时序控制和信号重建，并确保信号能够正确地传输到远端接收器。

PCS:

PCS是物理编码子层(Physical Coding Sublayer)，它处理数据信号的编码和解码，以及错误检测和校正。PCS负责将逻辑上的数据流转换为物理层面上的数字信号，并通过使用8b/10b编码或128b/130b编码等技术来确保数据传输的可靠性和正确性。

发送器和接收器都是由PCS和PMA组成。相对简化理解：PMA就是发送端并转串，就是接收端串转并。

那么此时我们就可以利用PMA来完成高速串行输入输出。那么PCS有什么作用呢?

在高速串行通信中，为了能够使信号完整的发送到发送方、能够使接收方可以进行CDR，需要对发送的数据进行编码(如果不明白可以查看本公众号文章“高速远距离通信之bit同步和字节同步”)。除了基本的编码外，我们还需要一些通信协议(PCIE、SATA等等)、多通道对齐等一些功能。此时PCS将可以为我们完成一部分。

在使用GT资源时，我们只需要将原码(可能附带一些协议规则)发送给PCS，PCS经过调整后，发送给PMA，PMA就会将数据发送到FPGA外部;外部高速信号进入PMA，PMA将数据交付给PCS，PCS经过调整交付为FPGA内部。此时就完成了高速数据的输入和输出的过程。

当然是用起来还是有一定的难度，后续慢慢的介绍相关内容。