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64%。
　　
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M AC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。