選擇合適的FPGA千兆位收發器至關重要

選擇合適的千兆位收發器（GT）是通信和實時處理領域尤其需要重點考慮的設計事項，但特定的市場領域可能會存在太多的標準、協議或使用模型。有時針對某一種應用就會涉及到好幾種標準，為了選擇最適合的千兆位收發器，必須對各種協議的最新發展情況了如指掌。

從無線通信到消費電子產品的眾多不同市場領域都具有業界標準連接協議。了解高級協議及其與低層協議規范的關系并充分留意不同行業對 PHY 定義的情況，將有助于選擇最好的LogiCORE IP高速串行收發器架構向導協議模板，進而實現我們的設計目標。首先來回顧一下這些相關協議。

OSI：連接協議模板
開放系統互連(OSI)是一種面向全球通信的ISO標準。該標準定義了一個分七層實施協議的框架。控制信息從某一站點的應用層開始向下逐層傳遞，直至最底層的物理層，隨后通過通道傳輸到下一站點。而信息返回時經過各層的順序則與之相反。

三個PHY子層
當前普遍使用的許多串行連接協議都在模仿OSI的分層模型。PHY層包括2?3個子層，分別為物理編碼子層(PCS)、物理介質連接(PMA)子層和可選的物理介質相關子層(PMD)。圖1以方框圖的形式顯示了各層之間的關系。

圖1 Virtex-5 RX物理子層PCS、PMA和PMD示例方框圖

數據包或數據在發送時以正向順序傳輸，即從介質訪問控制(MAC)層到PCS、PMA及PMD，而接收時的順序則與之相反。

PHY使用方面的混亂狀態
人們很容易將PHY誤認為是硅芯片，而混淆其用途。PHY是一個包括子層的規范層。我們可用單一或多個器件實施設計人員通常稱之為電子規范的PHY。對子層的使用主要取決于具體的細分市場和所用協議。

通信協議中的PHY層通常使用的是PCS、PMA和PMD子層。圖2顯示的是在局域網應用中使用賽靈思TEMAC (10M/100M/1G) LogiCORE的示例，其中千兆位以太網MAC接連與1000BASE-X PCS/PMA和激光收發器1000BASE-X PMD進行通信。此時，PHY同時實施在了FPGA和可選的光學收發器器件之中。

圖2 以太網通信應用中的PHY PCS、PMA和PMD層示例

硬化或嵌入式IP考慮事項
賽靈思通常會在FPGA中直接集成PCI Express和千兆位以太網等常用的協議。這硬化版本可實施協議的部分或全部功能。在上述這兩種情況中，LogiCORE封裝作為LogiCORE產品的一部分實施MAC和物理層（PCS和PMA）。封裝包含硬化模塊并與高速串行收發器相連接。就TEMAC而言，硬化IP實施MAC和部分PCS以及PCI Express LogiCORE的事務處理和數據鏈路層。可用賽靈思的高速串行收發器向導來查看并修改GTP/GTX設置。

10Gb以太網——XAUI
10Gb以太網標準是一種IEEE規范，其定義的標稱速率是千兆位以太網的10倍。物理層包含的一個接口可將MAC連接于PHY、PCS、PMA和PMD。至于賽靈思LogiCORE，10Gb媒體獨立接口 (XGMII)可連接至光學模塊或10Gb以太網XAUI。PMA和PMD既可視為外部器件（如在光學收發器中），也可以視為XAUI的一部分（如在芯片間或背板應用中）。

通用分組無線接口v4.0
通用分組無線接口(CPRI)可用于無線電設備控制器或基站以及一個或多個無線電設備單元之間的連接。CPRI規范涵蓋了OSI堆棧的第一層和第二層，物理層（第一層）定義了傳統基站使用的電氣接口以及支持遠程無線電設備的基站光學接口。賽靈思CPRI LogiCORE在GT中實施PHY，在FPGA邏輯中實施數據鏈接（第二層）。

3G和6G OBSAI RP3-01
OBSAI RP3-01蜂窩式基站協議分為較低的物理層和較高的應用、傳輸和數據鏈路層。應用層可連接于基帶或RF卡，而數據鏈路層可連接于物理層。賽靈思用FPGA中的收發器實施PHY，處理電氣部分，并連接到外部光學收發器模塊。

第一代和第二代PCI Express
PCI Express協議應用于物理層、數據鏈路層和事務處理層。由于這種標準非常通用，因此新興串行協議往往尋求在電氣規范方面與其兼容或類似，據此，ASSP和其他PHY器件廠商就能重用精心測試的IP產品了。賽靈思通過自身及其AllianceCORE合作伙伴在集成式硬IP模塊和軟IP中實施了第一代和第二代PCI Express協議。

串行RapidIO
雖然串行RapidIO協議與PCI Express一樣也應用于三個層中，但卻分別為物理層、邏輯層和傳輸層。由于 RapidIO和XAUI的應用目標類似，串行RapidIO設計人員因而能重用其現有的XAUI電氣設計方案。賽靈思GT向導可通過串行RapidIO模板支持串行RapidIO PHY。

三速SDI視頻
三速SDI視頻參考設計是基于SMPTE標準之上的。與高速串行收發器的物理連接是通過差動CML驅動外部線纜驅動器（用于傳輸）或外部適應性接收均衡器來實現的。各標準間常用的串行化協議非常具體，設計時采用的是FPGA結構。該協議需要較多的AC耦合電容進行大量的1和0運算。

賽靈思三模以太網
三模以太網MAC是賽靈思實施10/100/1Gb以太網協議的一種標準。賽靈思提供TEMAC LogiCORE（軟IP）和用于集成模塊的三模以太網封裝（硬IP）。就軟IP而言，1000BASE-X PCS/PMA或SGMII LogiCORE可實現無縫連接。SGMII是支持10/100/1G操作的串行連接標準。

TEMAC封裝即硬TEMAC子塊和GT I/O塊中通常采用的HDL 封裝（1000BASE-X/SGMII已經集成于TEMAC）。具體實施細節請查閱以太網LogiCORE文檔資料。

GT向導支持采用GigE (SGMII/1000Base-X)模板的三模以太網協議。

總而言之，業界標準協議日新月異，差不多每年都會出現一兩種新標準。因此就這點而言，其術語和基礎技術的復雜程度堪比稅法。而對給定協議的物理層方案了解得越詳細，就越易于確定所要使用的極佳高速串行收發器向導協議，從而為設計項目開創一個良好的局面。