FPGA在高速连接领域的应用
1.1 高速连接综述
现代数字处理技术和计算技术使得对复杂系统采集到的大容量数据进行实时处理成为可能。一个大型的数据采集系统，往往需要采集几十个甚至成百上千个参量的实时数据，对这样庞大数据的高速、实时传输是一个关键技术。传统的并性传输技术已接近理论上限，但仍不能满足需求，因此串行传输技术重新返回到高速传输领域，并引领新一代吉比特传输技术。高速数据传输对硬件要求很高（包括芯片接口和电路板走线），相应的ASIC电路价格昂贵、种类稀少且不能满足用户多种多样的需求，因此，FPGA成为高速数据连接领域最为合适的载体。本专题主要介绍基于Xilinx FPGA的新型串行高速传输技术及其相关应用（吉比特以太网）的解决方案。
由于现代通信以及各类多媒体技术对带宽的需求迅猛增长，促使一系列基于差分、源同步、时钟数据恢复（clock and data recovery，CDR）等先进技术的互连方式应运而生。在传统设计中，单端互连方式易受干扰、噪声的影响，传输速率最高只能达到200~250Mbps/Line；在更高速率的接口设计中，多采用包含有源同步时钟的差分串行传输方式（如LVDS、LVPECL等）。但由于在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1Gbps/通道。因此迫切需要新的高速数据传输技术。
在目前系统级互连速率已达到Gbps的设计中，先进的高速串行技术迅速取代传统的并行技术，成为业界的主流。高速串行技术不仅能够带来更高的性能、更低的成本和更简化的设计，克服了并行的速度瓶颈，还节省了I/O资源，使印制板的布线更简单。因此，被越来越广泛地应用于各种系统设计中，包括PC、消费电子、海量存储器、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。高速串行传输一般采用差分线，迄今业界已经发展出了多种串行系统接口标准，例如千兆以太网、万兆以太网、PCI-Express、串行RapidIO、串行ATA等。
1.2 Xilinx公司的高速连接开发资源
基于高速的需求和传统技术的弊端，Xilinx公司早在2002年就在Virtex 2 Pro系列芯片内集成了用于吉比特收发的Rocket I/O模块，目前最新的版本为Virtex 5 FXT中的GTX版本。
Xilinx公司的Rocket I/O硬核模块都采用了CML（CurrentMode Logic）、CDR、线路编码（8B/10B）和预加重等技术，可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，最高可达10Gbps以上，可用于实现吉比特以太网、PCI-Express等常用接口。
除了底层的物理层技术，Xilinx还提供了带32 bit LocalLink用户接口的Aurora协议引擎参考设计。Aurora协议是为私有上层协议或标准上层协议提供透明接口的串行互连协议，它允许任何数据分组通过Aurora协议封装，并在芯片间、电路板间甚至机箱间传输。Aurora链路层协议在物理层采用千兆位串行技术，每物理通道的传输波特率可从622Mbps扩展到3.125 Gbps。Aurora还可将1至16个物理通道绑定在一起，形成一个16个通道绑定而成的虚拟链路，可提供50Gbps的传输波特率和最大40Gbps的全双工数据传输速率。Aurora可支持广泛的应用范围，如：路由器和交换机、远程接入交换机、HDTV广播系统、分布式服务器和存储子系统。在协议中，每个高速串行链接被称为“弄”。
协议引擎通过与高速收发器配合，可创建带LocalLink用户接口逻辑的串并、并串收发器。通过这一串行接口方案，用户无须自己设计有关串行接口所涉及的编解码、同步、速率匹配等问题。用户接口部分包含了所有必要的信号，如协议引擎的状态信号等。
此外，Xilinx通过高品质的技术支持材料来支持其先进的芯片产品，这些材料包括广泛的知识产权核、参考设计、模拟电路模块、信号完整性（SI）设计套件、数字仿真的质量行为模型等。此外，Xilinx还提供了众多设计服务、开发平台以及最佳的FPGA实现工具，可确保用户的所有设计需求都能获得最佳产品和技术支持。
1.3 本专题安排
本专题围绕Xilinx高速连接解决方案的介绍、关键技术、开发模式以及应用这4个方面展开。首先，介绍了Xilinx在高速连接领域的解决方案和相关的器件信息。其次，介绍了高速连接的关键技术，包括其应用原理和背景、Xilinx硬核说明以及相关电路的设计。第三，介绍了如何基于高速连接模块完成常用高速接口的开发，包括千兆以太网、PCI/PCI-E、SATA、Rapid I/O、LVDS等接口。最后给出了基于Xilinx高速连接模块的应用实例。期望读者通过本专题的阅读，能对Xilinx高速连接的解决方案有一个全方位的认识。
现代数字处理技术和计算技术使得对复杂系统采集到的大容量数据进行实时处理成为可能。一个大型的数据采集系统，往往需要采集几十个甚至成百上千个参量的实时数据，对这样庞大数据的高速、实时传输是一个关键技术。传统的并性传输技术已接近理论上限，但仍不能满足需求，因此串行传输技术重新返回到高速传输领域，并引领新一代吉比特传输技术。高速数据传输对硬件要求很高（包括芯片接口和电路板走线），相应的ASIC电路价格昂贵、种类稀少且不能满足用户多种多样的需求，因此，FPGA成为高速数据连接领域最为合适的载体。本专题主要介绍基于Xilinx FPGA的新型串行高速传输技术及其相关应用（吉比特以太网）的解决方案。
由于现代通信以及各类多媒体技术对带宽的需求迅猛增长，促使一系列基于差分、源同步、时钟数据恢复（clock and data recovery，CDR）等先进技术的互连方式应运而生。在传统设计中，单端互连方式易受干扰、噪声的影响，传输速率最高只能达到200~250Mbps/Line；在更高速率的接口设计中，多采用包含有源同步时钟的差分串行传输方式（如LVDS、LVPECL等）。但由于在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1Gbps/通道。因此迫切需要新的高速数据传输技术。
在目前系统级互连速率已达到Gbps的设计中，先进的高速串行技术迅速取代传统的并行技术，成为业界的主流。高速串行技术不仅能够带来更高的性能、更低的成本和更简化的设计，克服了并行的速度瓶颈，还节省了I/O资源，使印制板的布线更简单。因此，被越来越广泛地应用于各种系统设计中，包括PC、消费电子、海量存储器、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。高速串行传输一般采用差分线，迄今业界已经发展出了多种串行系统接口标准，例如千兆以太网、万兆以太网、PCI-Express、串行RapidIO、串行ATA等。
1.2 Xilinx公司的高速连接开发资源
基于高速的需求和传统技术的弊端，Xilinx公司早在2002年就在Virtex 2 Pro系列芯片内集成了用于吉比特收发的Rocket I/O模块，目前最新的版本为Virtex 5 FXT中的GTX版本。
Xilinx公司的Rocket I/O硬核模块都采用了CML（CurrentMode Logic）、CDR、线路编码（8B/10B）和预加重等技术，可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，最高可达10Gbps以上，可用于实现吉比特以太网、PCI-Express等常用接口。
除了底层的物理层技术，Xilinx还提供了带32 bit LocalLink用户接口的Aurora协议引擎参考设计。Aurora协议是为私有上层协议或标准上层协议提供透明接口的串行互连协议，它允许任何数据分组通过Aurora协议封装，并在芯片间、电路板间甚至机箱间传输。Aurora链路层协议在物理层采用千兆位串行技术，每物理通道的传输波特率可从622Mbps扩展到3.125 Gbps。Aurora还可将1至16个物理通道绑定在一起，形成一个16个通道绑定而成的虚拟链路，可提供50Gbps的传输波特率和最大40Gbps的全双工数据传输速率。Aurora可支持广泛的应用范围，如：路由器和交换机、远程接入交换机、HDTV广播系统、分布式服务器和存储子系统。在协议中，每个高速串行链接被称为“弄”。
协议引擎通过与高速收发器配合，可创建带LocalLink用户接口逻辑的串并、并串收发器。通过这一串行接口方案，用户无须自己设计有关串行接口所涉及的编解码、同步、速率匹配等问题。用户接口部分包含了所有必要的信号，如协议引擎的状态信号等。
此外，Xilinx通过高品质的技术支持材料来支持其先进的芯片产品，这些材料包括广泛的知识产权核、参考设计、模拟电路模块、信号完整性（SI）设计套件、数字仿真的质量行为模型等。此外，Xilinx还提供了众多设计服务、开发平台以及最佳的FPGA实现工具，可确保用户的所有设计需求都能获得最佳产品和技术支持。
1.3 本专题安排
本专题围绕Xilinx高速连接解决方案的介绍、关键技术、开发模式以及应用这4个方面展开。首先，介绍了Xilinx在高速连接领域的解决方案和相关的器件信息。其次，介绍了高速连接的关键技术，包括其应用原理和背景、Xilinx硬核说明以及相关电路的设计。第三，介绍了如何基于高速连接模块完成常用高速接口的开发，包括千兆以太网、PCI/PCI-E、SATA、Rapid I/O、LVDS等接口。最后给出了基于Xilinx高速连接模块的应用实例。期望读者通过本专题的阅读，能对Xilinx高速连接的解决方案有一个全方位的认识。
文章出处：与非网
