標簽：CDR  FPGA

從網(wǎng)絡的核心模塊到邊緣設備，都在經(jīng)歷著巨大的變革。無線市場與其數(shù)千萬的“永遠在線”連接、下一代回程通信的巨大傳輸壓力，以及各種為使用現(xiàn)有有線通信基礎設施的消費者提供寬帶通信的舉措，都是推動網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵因素。因此，網(wǎng)絡核心朝著100及400Gbps的數(shù)據(jù)通道發(fā)展;網(wǎng)絡中心區(qū)域也從10Gbps升級為100Gbps，用以支持不斷擴展的各種網(wǎng)絡接入標準、協(xié)議和接口。此外，為支持日益增大的用戶流量需求并降低總體傳輸延遲，接入網(wǎng)絡也正在從之前的并行接口升級到現(xiàn)代高速串行接口。

由于網(wǎng)絡運營商們期待以低成本提升網(wǎng)絡容量，并同時保持總體覆蓋率，因此他們往往不可能徹底更換目前已經(jīng)安裝好的硬件設施。產品上市時間、整體的升級費用和現(xiàn)有軟件支持上的投入，僅僅是幾個必須考慮的問題。當設備升級時，必須提供必要的 “翻新” 以延長使用期限，同時加入符合預期網(wǎng)絡需求的功能特性，許多NEP(網(wǎng)絡設備供應商)發(fā)現(xiàn)具有收發(fā)器功能的中端FPGA是一種十分有效的解決方案。

中端FPGA是相對較新的一類FPGA。這些成本和功耗優(yōu)化的器件提供了傳統(tǒng)現(xiàn)場可編程門陣列的所有特性，并結合了僅高端器件才具有的各種先進功能。例如，這些可編程器件提供了具有成本效益且功耗優(yōu)化了的串行接口(SERDES)，這使他們能夠彌補現(xiàn)有的和下一代通信解決方案之間的差距。帶串行接口的中端FPGA也可以配置為支持各種數(shù)據(jù)傳輸速率和接口標準，無論是否是行業(yè)標準的還是專用的。并且，由于同一種規(guī)格大小的器件不可能符合所有的需求，因此這些器件的SERDES通道數(shù)量隨不同型號而變化，從而使得設計工程師能夠優(yōu)化其可編程解決方案，以滿足特定的成本和功耗目標。

中端FPGA中串行接口的可配置功能是十分關鍵的，它賦予了這些器件獨特的競爭優(yōu)勢。雖然過去很多網(wǎng)絡設備供應商可能會考慮采用其“自行開發(fā)”的接口標準，尤其是在整個機架的設備已經(jīng)由同一制造商開發(fā)的情況下，但當今市場擁有多樣化的選擇，并且供應商設備之間的互操作性已成為必然。大型的系統(tǒng)供應商仍將繼續(xù)提供完整的解決方案，而其他制造商則尋求能夠在行業(yè)標準機箱內工作的差異化解決方案，或者獨立的“薄型設備”。實現(xiàn)行業(yè)標準串行接口不僅可以減少系統(tǒng)設計時間，還能夠改善不同供應商之間的互操作性，提高整個系統(tǒng)的可靠性，并拓寬供應商設備的接納范圍。

在實現(xiàn)串行接口時，一個重要的特性是能夠創(chuàng)建可擴展的數(shù)據(jù)鏈路，以滿足傳輸帶寬的要求。為使帶寬與所支持的傳輸協(xié)議相匹配，中端FPGA加入了硬化的PMA和PCS邏輯模塊，它們在功能上可以邦定在一起。邦定機制實現(xiàn)了多個收發(fā)器通道來支持一個協(xié)議，而其余的串行接口仍可以獨立地支持其他協(xié)議，或者被禁用，從而進一步節(jié)省整個系統(tǒng)的功耗。雖然收發(fā)器通過加入PMA和PCS功能模塊提供物理層接口，但還需要在更高的“客戶”層提供大量額外的邏輯，以創(chuàng)建一個完整的行業(yè)標準解決方案。雖然ASSP可以提供帶有硬化串行接口的特定接口解決方案，但是它們缺乏必要的靈活性，無法支持網(wǎng)絡接入市場中用到的各種接口。

此外，基于SERDES的高端FPGA也可以被設計為在其結構內包含大量的串行傳輸邏輯，只是代價高昂：額外的設計和驗證時間、更多的功耗和尺寸大小。此外，中端FPGA還為電路板級和系統(tǒng)級設計人員提供了另一個關鍵優(yōu)勢。通過為FPGA的軟邏輯陣列增加一定數(shù)量收發(fā)器(根據(jù)不同的器件)，以及硬化的行業(yè)標準傳輸協(xié)議邏輯，這些器件提供了一個靈活、低成本和小尺寸的通信解決方案。如圖1所示，通過選擇適當?shù)腇PGA，可以很容易地實現(xiàn)不同的傳輸協(xié)議解決方案。

圖1：具有收發(fā)器功能的中端FPGA

接入網(wǎng)絡由來自不同網(wǎng)絡運營商提供的基礎設備構成。并且，由于預計將會有大量的陳舊設備仍將在之后幾年繼續(xù)使用，越來越多的運營商轉而使用一種全分組(all-packet)網(wǎng)絡。隨著向全分組網(wǎng)絡發(fā)展，一些行業(yè)標準技術正在迅速成為控制平臺和數(shù)據(jù)傳輸互連的主導。以太網(wǎng)以其悠久的歷史、使用的廣泛性以及本地IP數(shù)據(jù)包支持，將主導下一代網(wǎng)絡。而PCI-Express憑借廣泛用于計算、服務器和消費電子市場，也正在大量用于器件級和背板互連，同時還被廣泛部署用來取代并行PCI總線。串行無線IO標準則被用于各種無線、DSP和其它嵌入式計算解決方案。如上所述，許多中端FPGA支持這些關鍵標準，從而為設備制造商提供了一系列豐富的硬化解決方案。除了成本和功耗上的優(yōu)勢，這類器件還無需實現(xiàn)和驗證通信協(xié)議，這使得設計人員能夠專注于在FPGA結構內實現(xiàn)自己的差異化解決方案和系統(tǒng)升級功能。

升級為全分組網(wǎng)絡時的一個重要元素是能夠將網(wǎng)絡最邊緣處具最低數(shù)據(jù)帶寬需求的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡中心區(qū)域及核心區(qū)段更高數(shù)據(jù)傳輸速率的接口匯聚在一起。邊緣路由器、接入交換機和其他網(wǎng)絡匯聚設備都同時支持低和高帶寬數(shù)據(jù)速率。為滿足數(shù)據(jù)匯聚的要求，中端FPGA不僅為下一代高速串行接口提供了一種經(jīng)濟的解決方案，還通過其增強的通用I/O(GPIO)功能支持傳統(tǒng)的串行接口。利用GPIO來支持低端串行線速率，即1.25Gbps或更低，使得較昂貴的集成收發(fā)器通道可用于更高的串行線路速率。為支持串行接口，必須有一些時鐘和數(shù)據(jù)恢復(CDR)邏輯，這是中端FPGA的另一個特點。圖2提供了一個典型的CDR電路模塊圖。

圖2：典型CDR電路模塊圖

通過將硬化的時鐘和數(shù)據(jù)恢復(CDR)邏輯合并到I/O結構中，再加上可訪問選擇硬化傳輸協(xié)議內核的PCS接口的結構，中端FPGA為各種不同的匯聚設備接口提供了串行線速率支持。

對設計人員而言，應用層邏輯是在FPGA中實現(xiàn)其解決方案時需要考慮的另一個因素。大多數(shù)傳輸協(xié)議都必須支持多種數(shù)據(jù)類型，每種都有其自己的傳輸模式、服務質量標準和控制平臺要求。因此，硬化邏輯必須支持各種客戶層協(xié)議語義。為提供最符合成本效益的和完整的解決方案，中端FPGA以軟邏輯模塊的形式提供這些不同的邏輯層接口。這些軟邏輯模塊為底層的傳輸協(xié)議模塊提供了無縫接口，因為它們是整個協(xié)議棧的一部分，符合各自的行業(yè)標準。

另一方面，有時設計人員會認為專用的解決方案會更加適合，利用中端FPGA豐富的可編程邏輯功能，他們能夠自由地設計最適合其要求的邏輯功能。但無論軟邏輯層是專有的還是作為接口的一部分，建立一個完整的協(xié)議?？赡軙軓碗s，必須有一種簡單的設計方法來幫助實現(xiàn)最終的解決方案。許多當今的中端FPGA可以使用圖形化用戶界面設計環(huán)境進行開發(fā)，這使得設計人員能夠很容易地實現(xiàn)硬化邏輯的實例，并很快將它們與自己的邏輯塊拼接在一起。設計人員可以在整個設計和實現(xiàn)階段都使用這套軟件工具，確保他們的串行接口能夠正確地互連到自己的邏輯塊，并且實例化的串行接口將能一次性運行成功。

本文小結

當前的接入網(wǎng)絡由多樣化的接口和邏輯處理單元組成。下一代網(wǎng)絡需要處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與今天運營商所看到的數(shù)字相比將呈現(xiàn)幾何數(shù)量級的增長。并且，當一個同構網(wǎng)絡架構的傳輸壓力越來越大，目前已安裝的大多數(shù)設備根本就不能處理。因此，陳舊的設備與其較慢的器件接口必須和未來的高速接口和功能銜接起來。與此同時，還必須堅持嚴格的功耗預算、降低成本目標并縮短開發(fā)周期。

正如圖3所示的LatticeECP4中端FPGA，它擁有可配置的收發(fā)器、硬化的行業(yè)標準傳輸協(xié)議塊、豐富的可編程結構功能，以及圖形化用戶界面軟件設計環(huán)境，為設計人員提供了開發(fā)下一代設備所需的功能來滿足功耗和成本需求，并且延長了其原有設備的使用壽命。

圖3：萊迪思中端FPGA硬化的協(xié)議邏輯