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通过光纤实现高速数据片外回环实验案例

日期:2020-12-29 08:53 作者:真人游戏平台

  的使用越来越普遍,本文拟通过一个简单的回环实验,来说明在常见的接口调试中需要注意的事项。各种Xilinx

  为实现大容量交换机与高速率通信设备之间的高效数据传输,高速接口的理解与使用愈发显现出其重要地位。本实验设计中计划使用四个GTH高速串行接口,分别采用了10G以太网接口协议以及Aurora64b66b接口协议,实现交换板到测试设备的连接并通过光纤实现高速数据片外回环,以达到快速理解接口协议并能够熟练使用该两种高速接口实现数据收发的目的。

  应用在高速串行接口的数据收发。在A7系列芯片中叫GTP、在K7系列叫GTX、V7系列叫GTH,对于不同速度等级的高速通信的物理接口,原理基本一致。

  对于每一个串行高速收发器,其分为两个子层:PCS(物理编码子层)和 PMA(物理媒体连接子层)。PCS 层主要进行数据编解码以及多通道的处理;PMA 层主要进行串并、并串转换,预加重、去加重,串行数据的发送、数据时钟的提取。可以使用ibert IP核对接口进行回环测试,确定该接口是否可以正常使用。

  GT接口发送端处理流程:首先用户逻辑数据经过8b/10b编码后,进入一个发送缓存区,该缓冲区主要是PMA子层和PCS子层两个时钟域的时钟隔离,解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题,最后经过高速Serdes进行并串转换。接收端和发送端过程相反,具体实现可参考ug476_7Series_Transceivers进行学习。

  7系列FPGA通常按照bank来分,对于GTX/GTH的bank,一般称为一个Quad,原因是Xilinx的7系列FPGA随着集成度的提高,其高速串行收发器不再独占一个单独的参考时钟,而是以Quad来对串行高速收发器进行分组,四个串行高速收发器和一个COMMON(QPLL)组成一个Quad,每一个串行高速收发器称为一个Channel,其内部结构如图2所示。

  从底层角度看,由于CPLL是每个Channel独有的,所以CPLL的所有接口都在Channel这个底层模块中。而QPLL是另外使用了一个叫common的底层模块。GTX中QPLL和CPLL,除了数目(每个Quad有一个QPLL四个CPLL)和归属(QPLL属于common,CPLL属于Channel)不同之外,最大的不同在于支持的最高线速率频率不同。CPLL最高只有6.xG,而QPLL可以超过10G(具体数值要根据器件的速度等级来查询DataSheet)。

  对于7系列的GTX来说,每个Quad有两个外部差分参考时钟源,每个外部参考时钟的输入必须经过IBUFDS_GTE2原语之后才能使用。7系列FPGA支持使用南北相邻Quad的参考时钟作为当前Quad的参考时钟,但是一个Quad的参考时钟源不能驱动超过3个Quad上的收发器(只能驱动当前Quad和南北方相邻两个Quad)。对于一个GTX Channel来说,可以独立选择该收发器的参考时钟,可以选择QPLL,也可以选择CPLL,需要注意的是,每一个Quad上只有一个QPLL资源,重复例化会导致布线、GT的主从概念

  在我们使用GT 接口IP核时(Aurora和10GEthernet也适用),常提到的主核与从核的说法并不准确,这实际上只是我们在配置IP核时的一个共享逻辑的选项,如图3所示:

  该说明中很清楚的表明,两个选项分别表示了收发器的QPLL、时钟和复位逻辑等是包含在内核本身还是示例设计(example design)中,为简单起见,我们常把共享逻辑包含在内核本身的IP称为主核,内核中不包含共享逻辑的IP称为从核,其结构如下图4和图5所示。从核与主核的区别是:我们可以在Example Design中修改共享逻辑。在实际的设计中,可以使用主核也可以使用从核,但要注意的是,若设计中使用了一个主核后,则其内部便使用了该Quad上的QPLL资源,在使用该Quad上的其他GTX接口时,不能再使用主核,也无需再给从核添加共享逻辑。

  Aurora 协议是由Xilinx公司提供的一个开放、免费的链路层协议,可以用来进行点到点的串行数据传输,具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易用的特点。本设计中使用的Aurora 64b66b协议是一个可扩展的、轻量级的链路层协议,可以用于单路或者多路串行数据通信

  上一节有提到对于高速串行收发器,每一个Quad里仅可以使用一个QPLL(GTE2_COMMON),在我们生成一个Aurora从核并打开其example design后,这部分共享逻辑就包含在其gt_common_support模块中,该模块会产生gt_qpllclk_quad2_out、gt_qpllrefclk_quad2_out等信号供IP核使用,当我们生成一个Aurora主核时,该部分逻辑则包含在IP核内部,QPLL会作为输出信号从IP核输出。而当设计中需要2个及以上的GTX接口时,则需要将这一共享逻辑产生的信号输出给所有需要使用的IP核。以主核+从核为例,下图说明了其部分信号的连接方式:

  SERDES是SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)。它是一种主流的时分多路复用(TDM)、点对点(P2P)的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号,经传输媒介(

  、铜线或光纤),最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量,减少所需的传输信道和器件引脚数目,提升信号的传输速度,从而大大降低通信成本。

  使用SERDES的好处除了可以最大程度上节省传输线的数量,还可以兼容板间传输和光纤传输。无论是通过何种方式连接,都需要使用XILINX的GTP/GTX高速串行传输接口。该接口的物理实现方式,是SERDERS,物理层的编码方式可以选择Aurora 8B10B或Aurora 64B66B,而应用层可以选择不同的协议,也可以不使用。

  可参考本公众号之前文章:10G 以太网接口的FPGA实现,你需要的都在这里了。3.1、 概述

  subsystem中10GBASE-R模式以太网光接口。3.2、 时钟关系对于FPGA内部的时钟布局主要分为以下4部分:

  ,该缓冲器连接到GT_COMMON块,该Quad上最多可以有四个10G以太网子系统内核共享此逻辑。

  使用时钟缓冲器(BUFG_GT)从收发器差分参考时钟创建coreclk / coreclk_out。coreclk / coreclk_out的频率与差分时钟源的频率相同。共享逻辑中的最终BUFG_GT来自GT_CHANNEL的TXOUTCLK,然后又连接到GT_CHANNEL,以提供收发器TX用户时钟(TXUSRCLK和TXUSERCLK2)。使用64位数据路径时,此时钟的频率为156.25 MHz;使用32位数据路径时,此时钟的频率为312.5MHz。需要注意的是,与IP核直接相连的用户数据应与coreclk对齐,即使本地的用户时钟频率与coreclk频率相同均为156.25MHz时,也可能因为非同源而导致相位偏差,因此也应采用异步F

  10G以太网通道链路初始化完毕后会置位core_ready信号,表明接口接口已完成初始化,可以开始进行数据传输。3.5.2、 数据格式

  10G以太网接口用户侧采用的AXI-Stream总线数据格式如下图所示:

  光模块是进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号,接收端把光信号转换为电信号。光模块按照封装形式分类,常见的有SFP,SFP+,XFP等。光模块的接口是完全兼容XILINX的GTP/GTX IO,接口电路如图所示:

  SFP+光模块的外形和SFP光模块是一样的,传输速率可以达到10G,常用于中短距离传输。SFP+光模块是一种可热插拔的,独立于通信协议的

  收发器。3)XFP光模块XFP光模块是一种可热插拔的,独立于通信协议的光学收发器。速率同样可以达到10G,但是体积比SFP/SFP+光模块要大。

  该部分内容也可参看本公众号之前文章:你见过物理层的以太网帧长什么样子吗?目前主要有两种格式的以太网帧:Ethernet II(DIX 2.0)和IEEE 802.3。本设计使用Ethernet II帧结构,其帧格式如图13所示:

  ⑴ 前导码(Preamble):由0、1间隔代码组成,用来通知目标站作好接收准备。

  nation Address & Source Address):表示发送和接收帧的工作站的地址,各占据6个字节。其中,目标地址可以是单址,也可以是多点传送或广播地址。

  ⑶ 类型(Type)或长度(Length):这两个字节在Ethernet II帧中表示类型(Type),指定接收数据的高层协议类型。

  ⑷ 数据(Data):在经过物理层和逻辑链路层的处理之后,包含在帧中的数据将被传递给在类型段中指定的高层协议。该数据段的长度最小应当不低于46个字节,最大应不超过1500字节。如果数据段长度过小,那么将会在数据段后自动填充(Tr

  ⑸ 帧校验序列(FSC):包含长度为4个字节的循环冗余校验值(CRC),由发送设备计算产生,在接收方被重新计算以确定帧在传送过程中是否被损坏。

  图14 Spirent Testcenter业务流格式当使用Testcenter配置以太网数据帧时,Testcenter会在以太网帧的数据字段自动添加20个字节的开销,即上图中的Signature字段,该字段的各部分功能如下:

  由于该Signature字段是SpirentTestcenter业务流的唯一标识,Testcenter通过识别接收到的数据流的Signature字段来计算链路时延并判断是否有丢帧的情况,此外,该字段在Testcenter软件中不对用户可见,也即我们无法人为的去配置这个字段,因此建议在处理数据帧时,不要删改该字段信息。当然,也可以选择让Testcenter不添加这一字段,但是这样Testcenter在接收到以太网帧之后无法与已发送的数据帧进行比较。本设计选择的方案是默认在Testcenter业务流后自动添加Signature字段。

  本实验在标准以太网EthernetII帧格式的基础上重新定义了系统内部帧格式,如下图:

  10G以太网接口接收来自Testcenter测试设备发送过来的以太网帧,提取出关键字段将其拆分成并行的12路通道数据,与clk时钟同步,然后将这些数据进行组包,N个clk内的数据组合成一帧,使用aurora64B66B将数据一帧一帧地发送出去,接收机对收到的帧数据进行解析,并还原成与内部clk同步的12路通道数据,在将12路数据合并成以太网帧格式,通过10G以太网接口发送回Testcenter。实现框图如下:

  在10G以太网接口1发送端写入64位固定帧,接口将其转换成差分信号输出,在差分端打环,使接口1发送出的差分信号进入接口2的接收端,将接收端恢复出的并行数据与数据源数据进行比较。仿真结果如下图:

  在Testcenter配套软件上配置业务流时,为直观的验证本设计功能,为以太网帧配置payload,即添加custom header,如图33所示:

  通过Xilinx ila抓取部分信号,从图34可以看到本设计可以成功的提取出以太网帧的载荷字段,并从中解析出并行的12路通道数据,前60字节与6.2中配置字段相同,本设计功能实现良好。图35中对Testcenter接收到的数据帧进行统计并与已发送的数据帧进行比较,表明本设计未出现丢帧、错帧情况。

  在前几章提及GT Quad中QPLL资源的问题,即一个Quad上仅能够使用一个QPLL,因此本设计使用了四个GTH接口共同使用一个共享逻辑,其QPLL时钟信号需要驱动2个10G以太网接口和2个Aurora64B66B接口。对初学者来说,梳理清楚GT时钟并使用QPLL是具有一定困难的,最简单的方法是,将4个接口分别放置在两个Quad上,即每两个GT接口共享一个QPLL资源,这样可以直接使用Xilinx官方文档中的1主带1从的模式,尽可能的简化了代码并大大减少调试中的困难。

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  NCP59749 LDO稳压器 3A 超低压降 高PSRR 低噪声 带偏置轨

  49是一款3 A超低压差(LDO)稳压器,能够提供超过3 A的输出电流,典型压差为120 mV。在满载电流下。输出电压可调低至0.8 V.内部保护功能包括热关断和输出电流限制保护。其他功能包括用户可编程软启动和电源就绪。 NCP59749采用5x5 QFN20封装。 类似产品: NCP59744 NCP59748 NCP59749 输出电流(A) 3.0 1.5 3.0 噪声(μVRMS) 64.8 90.0 90.0 压差电压(V) 0.115 0.060 0.120 可润湿的侧翼 否 否 否 特性 优势 0.8V至3.6V输出电压范围 非常适合低输出电压操作 0.8V至5.5V输入电压范围 适用于低输入电压应用的出色解决方案离子 在完整的3.0 A负载下120 mV典型的压差。 最大限度地减少调节器的功率损失 120mV Typ。辍学@ 3A 能够以非常小的Vin - Vout电压余量运行 25uVrms的输出噪音 噪声敏感应用的理想选择 快速瞬态响应 非常适合高速数字应用中的电压调节选择 输出电流超过3.0 A 快速瞬态响应 可编程软启动 打开排水电源良好的产出 任何类型的输出都是稳定...

  7是一款1.2 A LDO稳压器,具有低静态电流消耗(在整个温度范围内典型值为30μA),低压差,低输出噪声和非常好的PSRR。该稳压器集成了多种保护功能,如热关断,软启动,限流以及电源良好输出信号,便于MCU接口。 特性 优势 Low Vin 1.5 V 适用于DCDC的1.8V电压轨 超低噪声15μV rms 非常适合噪声敏感应用 1 kHz时PSRR高达75 dB 高功率输入纹波抑制,非常适合功耗敏感器件 低V out 从0.8 V 适用于低压申请 电力良好信号 Perfe ct用于铁路监测和/或排序 提供DFN6 2x2 mm和DFN8 3x3mm封装 可润湿侧面(针边电镀)改善热阻 150C工作结温 通过扩展实现更高的功率温度 应用 终端产品 RF,PLL,VCO和时钟电源 图像传感器电源 负载点 通信系统和信息娱乐 RF收发器 摄像头模块 Internet连接共享(ICS)网关服务器应用程序 MQB模块化架构 电路图、引脚图和封装图...

  BCM8727 双通道10-GbE SFI-to-XAUI™带EDC的收发器

  双通道10-GbE SFI-to-XAUI集成了支持SFP +线卡应用的电子色散补偿(EDC)均衡器的收发器。 BCM8727是一款多速率PHY,适用于SMF,MMF或铜双轴应用,可连接限幅和线性基于SFP +和SFP模块。 BCM8727完全符合10-GbE IEEE 802.3aq标准,并支持1000BASE-X用于1-GbE操作。 BCM8727采用全DSP高速前端开发,为线卡设计人员提供最高性能和最大灵活性。片上微控制器实现DSP内核的控制算法。 特性 双通道SFI到XAUI收发器 集成微控制器具有宽动态范围的AGC 单参考时钟输入允许使用低成本156.25 MHz振荡器 支持低成本SFP +铜双轴达15米...

  BCM8725 双10千兆以太网XFI到XAUI和交易; LAN / WAN收发器

  以太网/光纤通道/ SONET LAN / WAN PHY,是一个完全集成的双通道串行化/反序列化(9.953 Gb / s / 10.3125 Gb / s / 10.5188 Gb / s )接口设备执行10 Gb串行以太网协调子层(RS)接口的扩展功能。 对于WAN应用,具有灵活时钟模式的WIS兼容成帧器允许传输WAN上的以太网流量。片上时钟合成由PMD和XAUI&trade的高频,低抖动锁相环执行;输出重定时器。通过直接与其各自的输入数据流同步,在设备上执行单独的PMD和XAUI时钟恢复。提供弹性缓冲区以允许PMD和XAUI接口在异步配置中操作。参考时钟输入仅需要外部155.52 MHz / 156.25 MHz / 159.38 MHz振荡器。 功能 两个完全独立的通道 引脚兼容BCM8724 符合或超过IEEE 802.3ae 支持XFP / XFI和SFP +接口...

  完全集成的双序列化/反序列化(10.3125 Gb / s)接口设备,为10千兆位串行以太网协调子层(RS)接口执行扩展功能。 XGXS,PCS和PMA功能包括8B / 10B编码,64B / 66B编码,SerDes,时钟倍增单元(CMU)以及时钟和数据恢复(CDR)。片上时钟合成由PMD和XAUI&trade的高频,低抖动锁相环执行;输出重定时器。通过直接与其各自的输入数据流同步,在设备上执行单独的PMD和XAUI时钟恢复。提供弹性缓冲区以允许XAUI和PMD接口在异步配置中运行。参考时钟输入仅需要外部156.25 MHz振荡器。 功能 双XFI至XAUI 10 GbE收发器 完全集成CMU,CDR,SerDes,限幅放大器和EyeOpener 符合或超过IEEE 802.3ae 支持XFP / XFI和SFP +接口...

  BCM54285 Octal-Port QSGMII铜缆/光纤千兆/ IEEE1588v2以太网收发器

  完全集成的八通道千兆位收发器,支持节能以太网和交易; (EEE),同步以太网和IEEE 1588v2。 MDI双绞线BASE-T以太网收发器或8个QSGMII组成到光纤(100BASE-FX,1000BASE-X或SGMII-Slave)接口。在铜缆模式下,PHY执行10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T和标准5类UTP电缆的所有物理层功能。在QSGMII到光纤模式下,PHY执行100BASE-FX,1000BASE-X和SGMII-Slave的所有物理层功能。有关文档和支持,请访问Broadcom社区 功能 QSGMII界面 支持符合IEEE 802.3标准的铜线BASE-T 支持这些光纤线BASE-FX,SGMII-Slave 符合IEEE 802.3az标准(能源高效以太网):支持本地EEE MAC;使用AutogrEEEn®支持不推荐用于新设计的非EEE MAC;模式 SyncE,IEEE 1588v2 PTP和ITU-T Y.1731延迟测量支持...

  BCM54282 Octal-Port QSGMII铜缆千兆/ IEEE1588v2以太网收发器

  完全集成的八通道千兆位收发器,支持节能以太网和交易; (EEE),同步以太网和IEEE 1588v2。 MDI双绞线BASE-T以太网收发器组成。在铜缆模式下,PHY执行10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T和标准5类UTP电缆的所有物理层功能。 BCM54282旨在符合QSGMII行业标准。有关文档和支持,请访问Broadcom社区 功能 QSGMII界面 支持符合IEEE 802.3标准的铜线BASE-T IEEE 802.3az兼容(节能以太网):支持本机EEE MAC;使用AutogrEEEn®支持不推荐用于新设计的非EEE MAC;模式 SyncE,IEEE 1588v2 PTP和ITU-T Y.1731延迟测量支持...

  BCM54240 四端口SGMII铜缆/光纤千兆/ IEEE1588v2以太网收发器

  完全集成的四千兆位收发器,支持节能以太网和交易; (EEE),同步以太网和IEEE 1588v2。 MDI双绞线BASE-T以太网收发器或四个SGMII到光纤( 100BASE-FX,1000BASE-X或SGMII-Slave接口。在铜缆模式下,PHY执行10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T和标准5类UTP电缆的所有物理层功能。当处于SGMII到光纤模式时,PHY执行100BASEFX,1000BASE-X和SGMII-Slave的所有PHY功能。 功能 SGMII接口 支持符合IEEE 802.3标准的铜线BASE-T 支持以下光纤线BASE -FX,SGMII-Slave 集成双绞线az兼容(节能以太网):支持本机EEE MAC,支持不推荐用于新设计非EEE MAC使用AutogrEEEn®模式 SyncE,IEEE 1588v2 PTP和ITU-T Y.1731延迟测量支持...

  BCM54280 八端口SGMII铜缆千兆/ IEEE1588v2以太网收发器

  完全集成的八通道千兆位收发器,支持节能以太网和交易; (EEE),同步以太网和IEEE 1588v2。 MDI双绞线BASE-T以太网收发器组成。在铜缆模式下,PHY执行10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T和标准5类UTP电缆的所有物理层功能。 BCM54280的设计符合SGMII行业标准。 功能 SGMII接口 支持符合IEEE 802.3标准的铜线BASE-T IEEE 802.3az兼容(节能以太网):支持本机EEE MAC;使用AutogrEEEn®支持不推荐用于新设计的非EEE MAC; mod SyncE,IEEE 1588v2 PTP和ITU-T Y.1731延迟测量支持...

  IP电话芯片使制造商能够构建具有硬件安全性和卓越语音质量的IP电话。 芯片也是集成了千兆以太网(10/100/1000 Mb / s)交换机和两个快速以太网(10/100 Mb / s)收发器,可以选择性地开发传统的快速以太网IP电话设计,而无需额外增加外部收发器的成本。通过添加外部千兆以太网收发器,制造商可以轻松升级其设计以创建千兆以太网IP电线是下一代芯片,集成硬件安全性,高级服务质量(QoS)技术和千兆以太网(GbE)交换机 基于具有增强DSP功能的RISC架构,为中端IP电话提供优化的性能水平 的BroadSAFE贸易;带有用于AES加密和SHA-1身份验证算法的硬件加速的安全模块 灵活的外设接口架构可以连接无线局域网,蓝牙和视频设备而无需胶合逻辑 应用程序 IP电话 VoIP住宅终端适配器 IP PBX系统...

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