本文介紹一種使用Zynq SoC和賽靈思IP核簡(jiǎn)化高速光學(xué)收發(fā)器模塊熱測(cè)試的方法。

隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光學(xué)收發(fā)器模塊的傳輸速度提高到前所未有的高度，數(shù)據(jù)中心內(nèi)每個(gè)機(jī)架的溫度也在不斷大幅上升。機(jī)架中有多個(gè)這種發(fā)熱的高速模塊堆疊在一起，加之有多個(gè)機(jī)架并排擺放，這樣，溫度倍增。溫度的急劇上升可能會(huì)導(dǎo)致超過(guò)芯片的熱限制，從而造成災(zāi)難性的芯片故障，繼而對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此，工程師在設(shè)計(jì)光學(xué)收發(fā)器模塊時(shí)必須考慮到熱屬性。設(shè)計(jì)人員必須要將注意力集中在熱源上，并嘗試用模塊級(jí)甚至機(jī)架級(jí)的高效冷卻方法對(duì)熱源加以控制。

工程師在測(cè)試光學(xué)模塊的熱屬性時(shí)通常有兩種選擇。他們可以使用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)生成器來(lái)創(chuàng)建高速(10-Gbps)鏈路，然后對(duì)光學(xué)模塊的熱屬性進(jìn)行測(cè)試;或者充分利用具有可調(diào)預(yù)設(shè)電壓和電流的“熱等效”模塊，這樣無(wú)需使用真正的高速數(shù)據(jù)即可仿真模擬熱學(xué)條件并評(píng)估熱屬性。

這兩種方案都不夠理想。第一種方案需要專(zhuān)業(yè)的高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)生成器，因此操作起來(lái)成本很高;而第二種方法又太抽象。熱等效模塊無(wú)法完全反映物理交換行為所引起的溫度變化。

不過(guò)，最近我的團(tuán)隊(duì)在愛(ài)爾蘭阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室通過(guò)使用賽靈思Zynq®-7000全可編程SoC 平臺(tái)和賽靈思IP核完成光學(xué)模塊的熱屬性測(cè)試工作，從根本上簡(jiǎn)化了這一過(guò)程。我們來(lái)仔細(xì)了解一下如何成功簡(jiǎn)化測(cè)試。

預(yù)設(shè)計(jì)分析

這種熱測(cè)試的基本要求是不斷用10Gbps數(shù)據(jù)激發(fā)XFP光收發(fā)器，同時(shí)使用IR攝相頭跟蹤和描述溫度變化特性。

我選擇賽靈思ZC706評(píng)估板作為開(kāi)發(fā)主機(jī)，因?yàn)橹髌骷?mdash;—即Zynq-7000 SoC XC7Z045(速度等級(jí)-2)上的GTX收發(fā)器可以輕松達(dá)到10Gbps的單線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率。Zynq SoC器件包含一個(gè)采用ARM®內(nèi)核的處理系統(tǒng)(PS)和一個(gè)Kintex®-7FPGA可編程邏輯(PL)架構(gòu)。首先， PL晶片上的資源足以處理10Gbps雙工數(shù)據(jù)傳輸。然后，我們可在日后需要的時(shí)候使用PS生成特定用戶(hù)數(shù)據(jù)模式。

我們的熱學(xué)團(tuán)隊(duì)將一塊Finisar XFP評(píng)估板用作光學(xué)收發(fā)器的外殼。該FDB-1022評(píng)估板可作為功能強(qiáng)大的評(píng)估主板，能夠很好地評(píng)估最先進(jìn)的10Gbps XFP光學(xué)收發(fā)器。SMA連接器可用于差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入和輸出。該評(píng)估板經(jīng)配置后可直接通過(guò)SMA連接器連接1/64時(shí)鐘(即，156.25 MHz = 10 GHz/64)，進(jìn)而為模塊提供時(shí)鐘。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行FPGA開(kāi)發(fā)工作的七年時(shí)間里，

圖1 – 所建議的系統(tǒng)的方框圖，包含連接實(shí)例。

我發(fā)現(xiàn)盡可能多地使用賽靈思內(nèi)核可以顯著縮短設(shè)計(jì)周期。在本設(shè)計(jì)中，我采取了相同的策略，并從集成式誤碼率測(cè)試器(IBERT)內(nèi)核開(kāi)始著手。您可利用該內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)模式的生成和驗(yàn)證，從而評(píng)估Zynq SoC上的GTX收發(fā)器。然后，為了對(duì)設(shè)計(jì)正確布線(xiàn)，我創(chuàng)建了一個(gè)基于混合模式時(shí)鐘管理器(MMCM)內(nèi)核的相位對(duì)齊時(shí)鐘分布單元，可同時(shí)對(duì)FPGA架構(gòu)上的GTX收發(fā)器和XFP評(píng)估板上的光學(xué)收發(fā)器提供時(shí)鐘。圖1為系統(tǒng)方框圖。

針對(duì)該設(shè)計(jì)項(xiàng)目，我使用了賽靈思的老式工具ISE®設(shè)計(jì)套件，并分三步完成這項(xiàng)工作。

第一步，使用CORE Generator™工具創(chuàng)建IBERT內(nèi)核。這里提供了一些針對(duì)該IBERT 7系列GTX(ChipScope™ Pro)IBERT內(nèi)核的關(guān)鍵設(shè)置。在我的設(shè)計(jì)中，IBERT系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)自開(kāi)發(fā)板上的外部時(shí)鐘源，即200MHz差分時(shí)鐘，P引腳位置= H9，N引腳位置= G9。GTX時(shí)鐘模式獨(dú)立于QUAD 111;并且我將線(xiàn)路速率設(shè)置為最大速率= 10Gbps。我把GTX的參考時(shí)鐘設(shè)置為

Refclk = 156.25 MHz，且Refclk時(shí)鐘源= MGTREFCLK1 111。

第二步，我使用CORE Generator創(chuàng)建了一個(gè)MMCM內(nèi)核。首先必須正確設(shè)置該工具的時(shí)鐘向?qū)?。為此，我將時(shí)鐘特性設(shè)置為頻率綜合和相位對(duì)齊。輸入時(shí)鐘必須與開(kāi)發(fā)板上的系統(tǒng)時(shí)鐘相同 (即200MHz)。我還將目標(biāo)派生時(shí)鐘設(shè)置為156.25MHz，占空比設(shè)置為50%。我使用兩個(gè)額外信號(hào)(RESET和LOCKED)來(lái)控制和指明MMCM內(nèi)核。

圖2 – ChipScope Pro屏幕截圖

第三步，用賽靈思工具對(duì)所有元素進(jìn)行集成。在本項(xiàng)目中，我使用的是ISE設(shè)計(jì)套件14.4。以后我打算改用Vivado®設(shè)計(jì)套件，以便最大程度地提高芯片性能。

我首先在ISE中創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，然后將IBERT內(nèi)核文件夾(example_ibert_gtx.vhd、ib- ert_gtx _top.ucf、ibert_core. ngc和icon_zynq.ngc)移動(dòng)到ISE項(xiàng)目中。然后，從MMCM內(nèi)核文件夾(步驟2)將mmcm_core. vhd添加到ISE項(xiàng)目。再然后，將example_ibert_gtx.vhd用作頂層模塊，對(duì)mmcm_core進(jìn)行實(shí)例化，并將三個(gè)新信號(hào)(CLK_ OUTPUT_P、CLK_OUTPUT_N和LED_REFCLK)添加到設(shè)計(jì)中，隨后在ibert_gtx_top.ucf中進(jìn)行相應(yīng)的引腳分配。

系統(tǒng)測(cè)試

在生成.bit文件后，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)就可隨時(shí)用于仿真具有10Gbps鏈路的XFP光學(xué)收發(fā)器。我把兩塊開(kāi)發(fā)板連接起來(lái)(如圖1所示)，然后打開(kāi)ChipScope Pro分析器，用新建的.bit文件配置器件。接下來(lái)，雙擊IBERT控制板，會(huì)彈出一個(gè)新的圖形用戶(hù)界面(如圖2所示)。我們可以使用該界面對(duì)預(yù)定義的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行優(yōu)化，例如Clk 2x (1010….)，以及偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)，進(jìn)而徹底評(píng)估光學(xué)收發(fā)器的熱性能。

通過(guò)將賽靈思內(nèi)核與ZC706評(píng)估板結(jié)合起來(lái)使用，即可輕松構(gòu)建用以評(píng)估高速光學(xué)收發(fā)器的測(cè)試平臺(tái)。在本設(shè)計(jì)中，我們展示了對(duì)單個(gè)XFP模塊的評(píng)估。不過(guò)，您可以直接應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方法來(lái)快速構(gòu)建一個(gè)用來(lái)測(cè)試多個(gè)光學(xué)收發(fā)器模塊的邏輯內(nèi)核。