采用FPGA实现基于ATCA架构的2.5Gbps串行背板接口

当前，在系统级互连设计中高速串行I/O技术迅速取代传统的并行I/O技术正成为业界趋势。人们已经意识到串行I/O“潮流”是不可避免的，因为在高于1Gbps的速度下，并行I/O方案已经达到了物理极限，不能再提供可靠和经济的信号同步方法。基于串行I/O的设计带来许多传统并行方法所无法提供的优点，包括：更少的器件引脚、更低的电路板空间要求、减少印刷电路板（PCB）层数、PCB布局布线更容易、接头更小、EMI更少，而且抵抗噪声的能力也更好。高速串行I/O技术正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、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。迄今业界已经发展出了多种串行系统接口标准，如PCI Express、串行RapidIO、InfiniBand、千兆以太网、10G以太网XAUI、串行ATA等等。 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3.125Gbps。Aurora还可将1至16个物理通道绑定在一起形成一个虚拟链路。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可优化支持范围广泛的应用，如太位级路由器和交换机、远程接入交换机、HDTV广播系统、分布式服务器和存储子系统等需要极高数据传输速率的应用。 传统的标准背板如VME总线和CompactPCI总线都是采用并行总线方式。然而对带宽需求的不断增加使新兴的高速串行总线背板正在逐渐取代传统的并行总线背板。现在，高速串行背板速率普遍从622Mbps到3.125Gbps，甚至超过10Gbps。AdvancedTCA（先进电信计算架构）正是在这种背景下作为新一代的标准背板平台被提出并得到快速的发展。它由PCI工业计算机制造商协会（PICMG）开发，其主要目的是定义一种开放的通信和计算架构，使它们能被方便而迅速地集成，满足高性能系统业务的要求。ATCA作为标准串行总线结构，支持高速互联、不同背板拓扑、高信号密度、标准机械与电气特性、足够步线长度等特性，满足当前和未来高系统带宽的要求。 采用FPGA设计高速串行接口将为设计带来巨大的灵活性和可扩展能力。Xilinx Virtex-IIPro系列FPGA芯片内置了最多24个RocketIO收发器，提供从622Mbps到3.125Gbps的数据速率并支持所有新兴的高速串行I/O接口标准。结合其强大的逻辑处理能力、丰富的IP核心支持和内置PowerPC处理器，为企业从并行连接向串行连接的过渡提供了一个理想的连接平台。 本文论述了采用Xilinx Virtex-IIPro FPGA设计传输速率为2.5Gbps的高速串行背板接口，该背板接口完全符合PICMG3.0规范。本文对串行高速通道技术的发展背景、现状及应用进行了简要的介绍和分析，详细分析了所涉及到的主要技术包括线路编解码、控制字符、逗点检测、扰码、时钟校正、通道绑定、预加重等。同时对AdvancedTCA规范以及Aurora链路层协议进行了分析， 并在此基础上给出了FPGA的设计方法。最后介绍了基于Virtex-IIPro FPGA的ATCA接口板和MultiBERT设计工具，可在标准ATCA机框内完成单通道速率为2.5Gbps的全网格互联。

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