Xilinx FPGA高速資源合理利用的一種思路

楊見 陳偉 許杰 陳少林

（1.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川省綿陽市 621000 2.空裝駐綿陽地區(qū)某軍事代表室 四川省綿陽市 621000）

隨 著CML（CurrentModeLogic）、CDR、8b10b 編碼/64b66b編碼技術(shù)、預(yù)加重/去加重、時(shí)鐘補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的出現(xiàn)，能夠極大地減小時(shí)鐘抖動(dòng)、收發(fā)時(shí)鐘頻偏、信號(hào)衰減和線路噪聲對(duì)接收性能的影響，從而使高速串行傳輸方式得到極為廣泛的應(yīng)用，而其接口信號(hào)線數(shù)量少、應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn)，更是讓開發(fā)人員相比并行數(shù)據(jù)傳輸接口而言，更愿意選擇高速串行傳輸方式。Xilinx FPGA 集成了可實(shí)現(xiàn)不同線速率的高速串行收發(fā)器硬核資源，開發(fā)人員只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可實(shí)現(xiàn)高速串行應(yīng)用?；诔杀究紤]，在工程應(yīng)用中，開發(fā)人員依然遵循通過調(diào)用盡量少的資源去完成足夠多的功能這一準(zhǔn)則展開設(shè)計(jì)。本文就針對(duì)這一點(diǎn)對(duì)Xilinx FPGA 高速串行資源的利用提出一種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析并驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)需求

QUAD116 搭建4 條常規(guī)的10G 高速鏈路與目標(biāo)設(shè)備三通信，QUAD115 搭建3 條10G 高速鏈路與目標(biāo)設(shè)備二通信，以及一條千兆網(wǎng)鏈路與目標(biāo)設(shè)備一通信。

鏈路設(shè)計(jì)要求如圖1 所示。

2 設(shè)計(jì)思路

Xilinx 7 系列GTX 每四個(gè)Channel 組合成一個(gè)QUAD，每個(gè)QUAD 有兩組參考時(shí)鐘輸入，一個(gè)QPLL，4 個(gè)CPLL，CPLL 輸出時(shí)鐘頻率最高3.125Ghz，通信鏈路線速率最高6.25Gbps，QPLL 輸出時(shí)鐘頻率則在5.93Ghz～12.5Ghz 范圍內(nèi)。

由Xilinx 官方手冊(cè)PG047 可知，每個(gè)QUAD 的參考時(shí)鐘，除了驅(qū)動(dòng)自身外，還可以為相鄰的兩個(gè)QUAD 提供時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。如QUAD116 的參考時(shí)鐘（MGTREFCLK0/MGTREFCLK1）就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)QUAD115、QUAD116、QUAD117，但QUAD115 就只能同時(shí)驅(qū)動(dòng)QUAD115 與QUAD116。

QUAD 內(nèi)共享資源結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

千兆網(wǎng)鏈路通過調(diào)用Xilinx“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”IP 核完成底層搭建，10G 高速鏈路通過調(diào)用Xilinx“7 Series FPGAs GTX/GTH Transceivers”IP 核完成底層搭建，兩者都是基于GTX 硬核實(shí)現(xiàn)。

由Xilinx 官方手冊(cè)PG047 可知，千兆網(wǎng)鏈路實(shí)際線速率為1.25Gbps，IP 核需要125Mhz 參考時(shí)鐘，使用GTX 的CPLL 資源；Transceiver IP 核實(shí)現(xiàn)10Gbps 線速率鏈路時(shí)所需的參考時(shí)鐘可以為100Mhz、125Mhz 等，需要使用GTX 的QPLL 資源。

圖1：高速通信鏈路規(guī)劃

圖2：GTX 時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

圖3：FPGA 時(shí)鐘資源分配示意圖

圖4：Transceiver IP 核5 條10G 高速鏈路參考時(shí)鐘（100Mhz）分配示意圖

圖5：Transceiver IP 核結(jié)構(gòu)層次示意圖（Q115 與Q116 均接入Q116 參考時(shí)鐘）

圖6：共享邏輯分配在IP 核內(nèi)部后文件層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7：共享邏輯分配在IP 核外部后文件層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

圖8：共享邏輯分配在核外移除GT_COMMON 后的千兆網(wǎng)IP 核層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)10G Transceiver 鏈路要保證通信質(zhì)量，則選擇高速收發(fā)兩端時(shí)鐘同頻同源，千兆網(wǎng)IP 核會(huì)通過發(fā)送時(shí)鐘補(bǔ)償序列完成對(duì)時(shí)鐘差異的校準(zhǔn)。

那么要完成需求描述中所有通信鏈路的搭建，我們時(shí)鐘資源的最簡(jiǎn)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

即，QUAD116 與QUAD115 的7 條高速鏈路均采用QUAD116的100Mhz 參考時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而千兆網(wǎng)則直接使用QUAD115 提供的125Mhz 參考時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3 邏輯實(shí)現(xiàn)

首先調(diào)用“Transceiver”IP 核配置10G 高速鏈路，為簡(jiǎn)化操作流程，選擇QUAD116 的4 條鏈路與QUAD115 的GT00/GT01/GT02鏈路在一個(gè)IP核里進(jìn)行統(tǒng)一配置，如圖4所示，而IP核“Shared Logic”則可以選擇“Include Shared Logic In Core”，由軟件完成10G 通信鏈路共享資源的分配，而不需要人工介入。

“Transceiver”IP 核結(jié)構(gòu)層次示意圖如圖5 所示。

接著調(diào)用“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII v15.2”IP 核搭建千兆網(wǎng)，由于IP 核圖形界面未提供參考時(shí)鐘分配接口，僅提供“Shared Logic”分配選項(xiàng)。而如果共享邏輯放在核內(nèi)，即使實(shí)際不會(huì)使用QPLL，IP 核依然會(huì)默認(rèn)調(diào)用QUAD115 GT_COMMON模塊占用QUAD115 的QPLL 資源，從而與QUAD115 的10G 高速鏈路發(fā)生資源調(diào)用沖突，如圖6 所示。

故千兆網(wǎng)IP 核共享邏輯必須選擇放在IP 核外，即“Include Shared Logic In Example Design”選項(xiàng)。在IP 核生成完畢之后打開Example Design，可以看到示例工程中IP 核與共享邏輯層級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

手動(dòng)將圖中方框內(nèi)文件移植到實(shí)際工程中IP 核的上層代碼塊中，其層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

在上述配置完成后，開發(fā)人員就可以創(chuàng)建上層應(yīng)用，分別實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前硬件基礎(chǔ)上的最優(yōu)高速設(shè)計(jì)。

4 方案可行性驗(yàn)證

所有功能代碼添加完成后，對(duì)工程進(jìn)行編譯，Vivado 軟件未提示錯(cuò)誤，將目標(biāo)文件寫入FPGA 中，通過與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行通信測(cè)試，千兆網(wǎng)與10G 高速鏈路通信均正常且穩(wěn)定，無誤碼，數(shù)據(jù)無丟包。

所有開發(fā)及測(cè)試均基于Xilinx Vivado 2017.4 版本完成。

5 結(jié)論

在遵循開發(fā)平臺(tái)與IP 核廠商設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，通過對(duì)已有資源進(jìn)行合理的分解與重組可以有效提高硬件利用率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。