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本篇主要討論FPGA如何發(fā)出高速串行信號。

高速串行通信的“高速”一般比較高，基本至少都會上G。如果利用FPGA內(nèi)部的LUT、觸發(fā)器和普通IO是無法滿足這樣高的輸入輸出速率的。

例：假設(shè)線速度需要跑到1G，那么我們FPGA內(nèi)部邏輯就需要跑到1GHz，才可以對外發(fā)出1G的bit流（即使采用DDR的方式發(fā)出，也需要內(nèi)部500MHz）。這么高的頻率，F(xiàn)PGA內(nèi)部一般是無法達到的。

那么FPGA是如何實現(xiàn)這種高速輸出和輸入的呢？

FPGA內(nèi)部除了LUT、觸發(fā)器和IOB以外，廠商還在FPGA內(nèi)部加入了很多可配置的硬核電路，高速收發(fā)器就是其中之一（并不是所有的FPGA都有）。

那么這個高速收發(fā)器的電路怎么理解呢？

可以先這么認為，對于輸出來說它就是一個升頻降位寬的電路。

注：輸出不一定有時鐘輸出

例：輸入時鐘125MHz，數(shù)據(jù)并行10bit；經(jīng)過高速發(fā)送器后，可以變?yōu)檩敵鏊俾蕿?.25GHz，數(shù)據(jù)為串行1bit；

此時FPGA內(nèi)部只需要運行再一個相對較低的頻率，進行并行處理數(shù)據(jù)即可。

對于輸入來說它就是一個降頻增位寬的電路。

注：輸入不一定有時鐘輸入

例：輸入時鐘1.25GHz，數(shù)據(jù)串行1bit；經(jīng)過高速接收器后，可以變?yōu)檩斎胨俾蕿?25MHz，數(shù)據(jù)為并行10bit；

此時FPGA內(nèi)部只需要運行再一個相對較低的頻率，進行并行處理數(shù)據(jù)即可。

下面簡單介紹一下FPGA內(nèi)部的高速收發(fā)器（主要以Xilinx的A7 FPGA為例，其他的“大概”大同小異）。

FPGA內(nèi)部的高速收發(fā)器一般稱為GT（GT的意思是Gigabyte Transceiver），速度根據(jù)器件的不同能夠支持的速率也不相同。在Xilinx 7系列的FPGA中，按支持的最高線速率排序，GTP是最低的，GTZ是最高的。GTP被用于A7系列，GTZ被用于少數(shù)V7系列。從K7到V7，最常見的是GTX和GTH。GTH的最高線速率比GTX稍微高一點點。

下圖是Xilinx A7 FPGA內(nèi)部的高速收發(fā)器（GTP）。

GTP對外的管腳也不是普通的IO，必須得是專門的IO（單獨的bank）。

下圖為A7 FPGA 的支持GTP的bank（一般稱為MGT：Multi-Gigabit Transceiver bank）。

上述的電路圖中有四路收發(fā)器（一發(fā)一收稱為1路收發(fā)器，收發(fā)都是差分信號）。四路收發(fā)器被稱為一個 Quad GT。

每一路的收發(fā)器的內(nèi)部如下：

發(fā)送器：

接收器：

在分析發(fā)送器和接收器之前，我們先了解幾個名詞。

PMA：

PMA是物理介質(zhì)子層(Physical Medium Attachment)，它負責(zé)管理電氣、時鐘和定時等物理層面的信號特性。PMA還處理高速數(shù)據(jù)傳輸所需的時序控制和信號重建，并確保信號能夠正確地傳輸?shù)竭h端接收器。

PCS:

PCS是物理編碼子層(Physical Coding Sublayer)，它處理數(shù)據(jù)信號的編碼和解碼，以及錯誤檢測和校正。PCS負責(zé)將邏輯上的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為物理層面上的數(shù)字信號，并通過使用8b/10b編碼或128b/130b編碼等技術(shù)來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼_性。

發(fā)送器和接收器都是由PCS和PMA組成。相對簡化理解：PMA就是發(fā)送端并轉(zhuǎn)串，就是接收端串轉(zhuǎn)并。

那么此時我們就可以利用PMA來完成高速串行輸入輸出。那么PCS有什么作用呢?

在高速串行通信中，為了能夠使信號完整的發(fā)送到發(fā)送方、能夠使接收方可以進行CDR，需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼(如果不明白可以查看本公眾號文章“高速遠距離通信之bit同步和字節(jié)同步”)。除了基本的編碼外，我們還需要一些通信協(xié)議(PCIE、SATA等等)、多通道對齊等一些功能。此時PCS將可以為我們完成一部分。

在使用GT資源時，我們只需要將原碼(可能附帶一些協(xié)議規(guī)則)發(fā)送給PCS，PCS經(jīng)過調(diào)整后，發(fā)送給PMA，PMA就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA外部;外部高速信號進入PMA，PMA將數(shù)據(jù)交付給PCS，PCS經(jīng)過調(diào)整交付為FPGA內(nèi)部。此時就完成了高速數(shù)據(jù)的輸入和輸出的過程。

當(dāng)然是用起來還是有一定的難度，后續(xù)慢慢的介紹相關(guān)內(nèi)容。