適用于10 Gbps以太網(wǎng)物理層收發(fā)器的變速箱電路設(shè)計

黃安君，羅 旸，雷淑嵐

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著串行通訊速率向10 Gbps甚至100 Gbps發(fā)展，傳統(tǒng)的編解碼方式如8 b/10 b編碼，由于其效率較低，存在20%的帶寬浪費，如在高速系統(tǒng)中繼續(xù)采用這樣的編碼方式，將極大地浪費信道的帶寬，降低數(shù)據(jù)的傳輸效率。因此在高速系統(tǒng)中，更多的使用高效率的編碼方式如64 B/66 B, 64 B/67 B[1]。在10G Base-R以太網(wǎng)物理編碼層協(xié)議中就規(guī)定使用64 B/66 B的編碼方式[2]，如圖1所示。

圖1 10 Gbps以太網(wǎng)收發(fā)器結(jié)構(gòu)

但現(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)總線位寬大多都是1，2，4，8等2的n次方字節(jié)，例如在10G Base-R協(xié)議中，經(jīng)過64 B/66 B編碼后的數(shù)據(jù)在發(fā)送到Serdes模塊之前，一般要進行位寬由多到少的轉(zhuǎn)換，因為在10G Base-R的物理層收發(fā)器設(shè)計過程中，Serdes的并行端數(shù)據(jù)輸入的位寬數(shù)一般不是66位，且一般都不超過20位，如8位、10位、16位等。同樣數(shù)據(jù)從Serdes模塊發(fā)送到PCS模塊時，也需要進行數(shù)據(jù)位寬由少到多的轉(zhuǎn)變。變速箱電路就是實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)位寬之間的轉(zhuǎn)換，來保證芯片內(nèi)各模塊之間的無縫連接與正常的數(shù)據(jù)傳輸功能[3~4]。如果根據(jù)變速箱兩側(cè)的數(shù)據(jù)輸出和輸入的數(shù)據(jù)率相等的原理，利用兩個頻率的時鐘對數(shù)據(jù)位寬直接進行轉(zhuǎn)換，而不對兩側(cè)時鐘或者數(shù)據(jù)進行任何的控制或者處理，則會出現(xiàn)下面兩種情況：

當變速箱數(shù)據(jù)輸出的時鐘頻率大于變速箱數(shù)據(jù)輸入的時鐘頻率，即輸出數(shù)據(jù)所用的時鐘周期小于輸入數(shù)據(jù)的寬度時，在數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換過程中，在某個時鐘周期下，輸出數(shù)據(jù)的時鐘會將當前周期下的數(shù)據(jù)采樣2次，如圖2中的第3和第7時鐘周期，從而造成輸出數(shù)據(jù)的重復(fù)。

圖2 同一數(shù)據(jù)采樣2次

當變速箱數(shù)據(jù)輸出的時鐘頻率小于變速箱數(shù)據(jù)輸入的時鐘頻率，即輸出數(shù)據(jù)所用的時鐘周期大于輸入數(shù)據(jù)的寬度時，在數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換過程中，在某個時鐘周期下，如圖3中的第5和第10個時鐘周期，輸出數(shù)據(jù)的時鐘會漏采當前周期下的數(shù)據(jù)，從而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

圖3 數(shù)據(jù)漏采

針對上述的問題，可以通過借用時鐘周期的辦法解決：在數(shù)據(jù)位寬由多向少轉(zhuǎn)變的過程中，通過在某個時鐘周期暫停給變速箱輸入數(shù)據(jù)，但不停止變速箱的數(shù)據(jù)輸出；在數(shù)據(jù)位寬由少向多轉(zhuǎn)變的過程中，通過在某個時鐘周期暫停給變速箱輸出數(shù)據(jù)，但不停止變速箱的數(shù)據(jù)輸入。但是這種辦法會減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，尤其是在輸入?shù)據(jù)位寬和輸出數(shù)據(jù)位寬之間差距較大的情況下，系統(tǒng)的整體性能會有極大的下降，只適合FPGA設(shè)計，因為FPGA用戶可以自己來設(shè)計控制邏輯。而在一般的ASIC或者SOC設(shè)計中，這種顯著降低系統(tǒng)傳輸效率的方法是不能滿足系統(tǒng)要求的[5~6]。本文提出一種新的不均等時鐘周期的方法，可以在不改變數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，很好地解決上述問題。

2 不均等時鐘周期變速箱的設(shè)計思路

在通信系統(tǒng)中，變速箱電路主要實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)位寬之間的轉(zhuǎn)換，變速箱兩端的數(shù)據(jù)位寬和時鐘頻率在某一實際電路中是確定值。在本設(shè)計中，為了使數(shù)據(jù)傳輸效率最大化，變速箱兩端的比特率相同，由此可以確定變速箱兩端的位寬值和時鐘頻率之間的比例關(guān)系。為方便闡述，定義變速箱輸入端時鐘周期為Ta，輸入端位寬為m，輸出端時鐘周期為Tb，輸出端位寬為n，變速箱兩端的比特率相同，則存在：

在實際電路中，輸入時鐘和輸出時鐘都是由系統(tǒng)中的固定時鐘源產(chǎn)生，時鐘源的頻率是固定的，變速箱兩端的位寬m、n的值根據(jù)具體電路的值確定，Ta和Tb的值也要根據(jù)m、n的值做相應(yīng)的調(diào)整。電路中的時鐘源周期定義為T，用于生成輸入時鐘和輸出時鐘。在本設(shè)計中，由周期為T的時鐘源先產(chǎn)生兩個基本的時鐘周期分別為T1和T2，其中T1和T2只相差一個時鐘源周期：

i為正整數(shù)；再用T1和T2組成所需要時鐘周期Ta或Tb，具體電路中m、n的關(guān)系可以定義為m>n和m

當m>n時，輸入時鐘的周期值Ta大于輸出時鐘周期Tb，則輸出時鐘周期Tb=T，輸入時鐘Ta、T1和T2的關(guān)系為：

T1和T2組合成輸入時鐘的周期：

j和k為正整數(shù)。可以看出此時的輸入時鐘的每個時鐘周期不完全相等，在一定的時鐘周期數(shù)下，其平均周期為Ta。在每個T1或T2時鐘周期都輸入m位的數(shù)據(jù)，在每一個T時鐘周期輸出n位的數(shù)據(jù)。當m

T1和T2組合成輸出時鐘的周期：

j和k為正整數(shù)?？梢钥闯龃藭r輸出時鐘的每個時鐘周期不完全相等，在一定的時鐘周期數(shù)下，其平均周期為Tb。在每一個T時鐘周期輸入m位的數(shù)據(jù)，在每個T1或T2時鐘周期都輸出n位的數(shù)據(jù)。

本變速箱設(shè)計的特點是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，生成不均等的時鐘周期的變速箱時鐘，在保證傳輸過程中數(shù)據(jù)比特率不變的情況下，解決數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)傳輸?shù)膯栴}。

變速箱數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程與其時鐘生成過程是密切相關(guān)的，也需要分成m>n和m

當m>n時，在數(shù)據(jù)的輸入端，每一個T1或T2時鐘周期，變速箱的輸入端都輸入m位的數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)的輸出端，在輸入時鐘周期為T1的時間內(nèi)，輸出i個n位數(shù)據(jù)，在輸入時鐘周期為T2的時間內(nèi)，輸出i+1個n位數(shù)據(jù)，在j+k個時鐘周期內(nèi)，輸入端輸入了（j+k）×m位的數(shù)據(jù)，在輸出端輸出[j×i+k×（i+1）]×n位的數(shù)據(jù)，由于變速箱兩端的比特率相等：

化簡可以得到：

則變速箱完成了（j+k）個m位數(shù)據(jù)到[j×i+k×（i+1）]個n位數(shù)據(jù)的位寬轉(zhuǎn)變。

以此類推當m

化簡可以得到：

則變速箱完成了[j×i+k×（i+1）]個m位數(shù)據(jù)到（j+k）個n位數(shù)據(jù)的位寬轉(zhuǎn)變。

3 不均等時鐘周期變速箱的實現(xiàn)

接下來具體說明變速箱的實現(xiàn)過程，以10G BASE-R物理層為例，Serdes的位寬要求為8位，PCS采用64 B/66 B的編解碼方式，其數(shù)據(jù)波特率為10.312 5 Gbps，在與Serdes模塊進行數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要通過變速箱模塊實現(xiàn)66位到8位或者8位到66位兩種位寬的轉(zhuǎn)換。

3.1 數(shù)據(jù)位寬由多向少轉(zhuǎn)變

輸入數(shù)據(jù)的位寬m為66位，輸出數(shù)據(jù)的位寬n為8位。

變速箱的輸入數(shù)據(jù)所用時鐘A的頻率：

輸出數(shù)據(jù)所用時鐘B的頻率：

其中，T表示為每一位數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷?，T=0.096 97 ns。

變速箱時鐘源的周期定義為8 T，此8 T時鐘由Serdes內(nèi)置的PLL產(chǎn)生，則變速箱輸入數(shù)據(jù)的時鐘周期為66 T，變速箱輸出數(shù)據(jù)的時鐘周期為8 T。由時鐘周期為8 T的時鐘源先產(chǎn)生兩個基本的時鐘單 元：8×8 T 和 9×8 T，并 且 8×8 T<66 T<9×8 T，8×8 T和9×8 T按一定的比例關(guān)系組合成66 T的時鐘周期，根據(jù) [（64 T）×x+（72 T）×y]/（x+y）=66 T，計算得出x/y=3/1；也就是4個66 T的時鐘周期可以重組為 {8×8 T，8×8 T，8×8 T，9×8 T}。在數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換過程中，輸入時鐘周期為8×8 T或9×8 T，輸出時鐘周期都為8 T，數(shù)據(jù)具體傳輸過程如圖4所示。

在第一個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入66位數(shù)據(jù)，變速箱輸出端移位8次，輸出8個8位的數(shù)據(jù)，保留2個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位。在第二個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入66位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出端移位8次，輸出8個8位的數(shù)據(jù)，保留4個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位；在第三個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入66位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出端移位8次，輸出8個8位的數(shù)據(jù)，保留6個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位。在第一個9×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入66位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出端移位9次，輸出8個8位的數(shù)據(jù)，緩沖器中沒有保留的數(shù)據(jù)，完成4個66位數(shù)據(jù)向33個8位數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)變過程。

圖4 66位位寬向8位位寬轉(zhuǎn)換

3.2 數(shù)據(jù)位寬由少向多轉(zhuǎn)變

輸入數(shù)據(jù)的位寬m為8位，輸出數(shù)據(jù)的位寬n為66位。變速箱的輸入數(shù)據(jù)所用時鐘A的頻率a=1/（8 T）= 1.289 GHz，輸出數(shù)據(jù)所用時鐘B的頻率b=1/（66 T）=156.25 MHz，其中T表示為每一位數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷?，T=0.096 97 ns。變速箱時鐘源的周期定義為8 T，此8 T時鐘由Serdes內(nèi)置的PLL產(chǎn)生，則變速箱輸入數(shù)據(jù)的時鐘周期為8 T，變速箱輸出數(shù)據(jù)的時鐘周期為66 T。

如上所述，66 T的時鐘周期可以重組為{9×8 T，8×8 T，8×8 T，8×8 T}。在數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換過程中，輸入時鐘周期都為8 T，輸出時鐘周期為8×8 T或9×8 T，數(shù)據(jù)具體傳輸過程如圖5所示。在第一個9×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入9個8位數(shù)據(jù)進緩沖器，變速箱輸出緩沖器的低66位作為輸出數(shù)據(jù)，保留6個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位。在第一個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入8個8位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出緩沖器的低66位作為輸出數(shù)據(jù)，保留4個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位。在第二個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入8個8位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出緩沖器的低66位作為輸出數(shù)據(jù)，保留2個位的數(shù)據(jù)在緩沖器的低位。在第三個8×8 T輸入時鐘周期，變速箱輸入8個8位數(shù)據(jù)作為緩沖器高位，變速箱輸出緩沖器的低66位作為輸出數(shù)據(jù)，緩沖器中沒有保留的數(shù)據(jù)，完成33個8位數(shù)據(jù)向4個66位數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)變過程。

圖5 8位位寬向66位位寬轉(zhuǎn)換

4 變速箱的仿真與性能分析

使用verilog HDL語言對上述變速箱的功能進行描述，搭建驗證平臺，并使用VCS軟件進行仿真，仿真示意圖如圖6所示。

圖6 驗證平臺示意圖

仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，pattern_gen模塊產(chǎn)生66位的數(shù)據(jù)，gearbox_1和gearbox_2是例化本變速箱模塊，其中變速箱gearbox_1模塊的輸入數(shù)據(jù)位寬為66位，輸出數(shù)據(jù)位寬為8位，變速箱gearbox_2模塊的輸入數(shù)據(jù)位寬為8位，輸出數(shù)據(jù)位寬為66位，在pattern_chk模塊中把pattern_gen模塊產(chǎn)生66位數(shù)據(jù)延時幾個時鐘周期后和該數(shù)據(jù)經(jīng)過變速箱位寬轉(zhuǎn)變后的66位數(shù)據(jù)相比較。仿真的波形如圖7所示，仿真分為兩部分：數(shù)據(jù)寬度66位到8位的轉(zhuǎn)換和8位到66位的轉(zhuǎn)換。

clk8t是固定的時鐘源，其周期為0.776 ns，在每一個clk8t時鐘周期下傳輸8位的數(shù)據(jù)。clk66_out1是66位轉(zhuǎn)變?yōu)?位位寬組合后的輸入時鐘，其平均時鐘周期為6.402 ns，是由一個6.984 ns（9個clk8t時鐘周期）和3個6.208 ns（8個clk8t時鐘周期）組合而成。在gearbox_1中，在每個6.208 ns時鐘周期下，輸入66位的數(shù)據(jù)，輸出8個8位數(shù)據(jù)。在每個6.984 ns時鐘周期下，輸入66位的數(shù)據(jù)，輸出9個8位數(shù)據(jù)。gearbox_1中輸出的8 位數(shù)據(jù)作為gearbox_2中輸入，clk66_out2是8位轉(zhuǎn)變?yōu)?6位位寬組合后的輸出時鐘，其平均時鐘周期也為6.402 ns，同樣是由一個6.984 ns（9個clk8t時鐘周期）和3個6.208 ns（8個clk8t時鐘周期）組合而成。在gearbox_2中，在9個clk_8t時鐘周期下，輸入9個8位數(shù)據(jù)，在clk66_out2的每個6.984 ns時鐘周期下輸出66位的數(shù)據(jù)，在8個clk_8t時鐘周期下，輸入8個8位數(shù)據(jù)，在clk66_out2的每個6.208 ns時鐘周期下輸出66位的數(shù)據(jù)。 把gearbox_1的66位輸入數(shù)據(jù)延時4個clk66_out1時鐘周期后和gearbox_2的66位輸出數(shù)據(jù)一一比較，result信號為高電平，表明這兩個數(shù)據(jù)完全相同，說明變速箱在66位位寬轉(zhuǎn)變?yōu)?位位寬，再由8位位寬轉(zhuǎn)變?yōu)?6位位寬過程正確，沒有丟失或重復(fù)采樣。

圖7 仿真波形圖

5 小結(jié)

在變速箱電路中，通過固定時鐘源產(chǎn)生的不均等時鐘周期的變速箱輸入輸出時鐘，可以保持變速箱兩邊的數(shù)據(jù)傳輸速率不變，并且保證在傳輸過程中沒有數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)采樣，可以用于高速的串行通信系統(tǒng)中。

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