.Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
О.В. Гончаровский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ
СОЕДИНЕНИЯМИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 004.415.2 ББК 32.973.202-018.2
Г65
Рецензенты:
кандидат технических наук С.В. Березняков (ОАО «Стар», г. Пермь);
доктор технических наук, профессор А.А. Южаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Гончаровский, О.В.
Г65 Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями : учеб. пособие / О.В. Гончаровский. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 208 с.
ISBN 978-5-398-01495-2
Рассмотрен интерфейс высокоскоростного ввода-вывода SERDES и проектирование на его основе пользовательских протоколов передачи для программируемых интегральных схем с MGT-транси- верами. Освещены вопросы моделирования и тестирования печатных плат с высокоскоростными линиями передачи сигналов.
Предназначено для студентов, обучающихся по магистерской программе 22040051.68 «Распределенные компьютерные инфор- мационно-управляющие системы». Может быть полезно студентам смежных направлений подготовки.
УДК 004.415.2 ББК 32.973.202-018.2
ISBN 978-5-398-01495-2 |
ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение ....................................................................................................... |
5 |
1. Базовые понятия ввода-вывода ............................................................ |
9 |
1.1. Схемы передачи сигналов ..................................................................... |
9 |
1.1.1. Несимметричная схема передачи сигналов ................................ |
9 |
1.1.2. Дифференциальная схема передачи сигналов ......................... |
10 |
1.2. Синхронизация .................................................................................... |
11 |
1.2.1. Централизованная синхронизация ........................................... |
11 |
1.2.2. Синхронизация от источника .................................................... |
12 |
1.2.3. Самосинхронизация ................................................................... |
14 |
1.2.4. Автоподстройка .......................................................................... |
19 |
1.3. FPD-Link – пример реализации скоростного ввода-вывода ............. |
25 |
1.4. Высокоскоростной (мультигигабитный) ввод-вывод ....................... |
26 |
1.4.1. Преимущества и недостатки высокоскоростного |
|
ввода-вывода ..................................................................................... |
26 |
1.4.2. Использование высокоскоростного ввода-вывода.................. |
29 |
2. Интерфейс высокоскоростного ввода-вывода SERDES ................. |
32 |
2.1. Структура интерфейса SERDES ......................................................... |
32 |
2.2. Схемы линейного кодирования ........................................................... |
35 |
2.2.1. Схема кодирования 8b/10b ......................................................... |
35 |
2.2.2. Схема кодирования 64b/66b, 64b/67b ........................................ |
38 |
2.3. Коррекция тактирования и FIFO-буферы, связывание канала.......... |
43 |
2.4. Реализация высокоскоростного SERDES на физическом уровне ........ |
46 |
3. Проектирование устройств с высокоскоростным |
|
вводом-выводом ....................................................................................... |
53 |
3.1. Выбор/разработка протоколов ............................................................ |
53 |
3.1.1. Стандартные протоколы ............................................................ |
54 |
3.1.2. Разработка и реализация пользовательского протокола ......... |
56 |
3.2. Обеспечение целостности сигналов при проектировании |
|
устройств с высокоскоростным вводом-выводом .................................... |
81 |
3.2.1. Импеданс, питание и экранирование ........................................ |
81 |
3.2.2. Проектирование плат, соединителей и кабелей ...................... |
84 |
3.2.2.1. Проектирование печатных плат ................................... |
84 |
3.2.2.2. Выбор соединителей ..................................................... |
90 |
3.2.2.3. Выбор кабелей ............................................................... |
92 |
|
3 |
4. Моделирование устройств с высокоскоростным |
|
вводом-выводом ........................................................................................ |
94 |
4.1. Модели элементов схем ввода-вывода ............................................... |
97 |
4.2. Моделирование линий передачи сигналов ...................................... |
102 |
4.3. S-параметры ........................................................................................ |
104 |
4.4. Моделирование переходных процессов |
|
с использованием S-параметров .............................................................. |
108 |
4.5. Анализатор поля ................................................................................. |
111 |
5. Тестирование устройств с высокоскоростным |
|
вводом-выводом ...................................................................................... |
114 |
5.1. Цифровой осциллограф и анализатор цифровых систем ............. |
114 |
5.2. Глаз-диаграмма и джиттер ................................................................. |
118 |
5.3. Тестирование печатной платы с высокоскоростными сигналами ..... |
121 |
5.3.1. Измерение BER ......................................................................... |
121 |
5.3.2. Измерение S-параметров .......................................................... |
126 |
6. FPGA с высокоскоростным вводом-выводом ................................ |
129 |
6.1. Altera Stratix V .................................................................................... |
129 |
6.1.1. Передатчик MGT Altera Stratix V ............................................ |
130 |
6.1.2. Приемник MGT Altera Stratix V ............................................... |
132 |
6.2. Пример реализации пользовательского протокола |
|
на Altera Stratix V ....................................................................................... |
135 |
6.3. Xilinx 7 series ....................................................................................... |
149 |
6.3.1. Передатчик GTX/GTH Xilinx 7 series ...................................... |
151 |
6.3.2. Приемник GTX/GTH Xilinx 7 series ........................................ |
156 |
6.4. Пример реализации пользовательского протокола |
|
Xilinx 7 series ............................................................................................. |
166 |
7. Язык проектирования аппаратуры VHDL и интегрированная |
|
среда разработки аппаратных средств Active-HDL .......................... |
179 |
7.1. Программирование на VHDL для моделирования и синтеза ......... |
179 |
7.1.1. Entity и architecture ................................................................... |
181 |
7.1.2. Оператор присваивание и оператор process ........................... |
183 |
7.1.3. Цикл моделирования VHDL .................................................... |
189 |
7.1.4. Многозначная логика и стандарт IEEE 1164 .......................... |
191 |
7.2. Проектирование на VHDL устройств ввода-вывода |
|
по модели программно-управляемого автомата...................................... |
194 |
7.3. Интегрированная среда разработки аппаратных |
|
средств Active-HDL ................................................................................... |
203 |
Список литературы ................................................................................. |
207 |
4 |
|
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями» является частью магистерской программы 22040051.68 «Распределенные компьютерные информа- ционно-управляющие системы» по направлению 220400 «Управление в технических системах».
Объектом изучения дисциплины являются интерфейсы ввода-вывода встроенных микропроцессорных систем.
Ввод-вывод всегда был важным компонентом в процессорных устройствах. Многие годы параллельные связи ввода-вывода между интегральными схемами (ИС) доминировали на печатных платах. При этом проблема временного выравнивания сигналов шин магистрали ввода-вывода оставалась трудной для реализации взаимодействия между платами. В результате появился последовательный порт для их взаимодействия. Со временем проблема выравнивания сигналов была решена, появились параллельный принтерный порт, магистрали ISA (Industry-Standard Architecture), EISA (Extended Industry-Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect), PCMCIA (Personal Computer Memory Card Industry Association).
Последовательная передача данных постоянно сосуществовала с параллельной передачей данных. Ethernet и Token Ring доминировали в локальных сетях, но с переходом на витую пару категории 5 Ethernet вытеснил Token Ring.
Параллельные шины ввода-вывода также приспосабливали к новым требованиям по скорости передачи. Так, магистраль PCI 33 (33 МГц) эволюционировала в PCI 66 (66 МГц), что потребовало более сложных сигналов. С помощью стандарта HSTL (High-Speed Transceiver Logic сигналы с небольшим уровнем на-
пряжения) пытались поддержать технологию параллельной передачи. Тем временем Ethernet переходил от скорости 10 Мбит/с к скорости 100 Мбит/с, а затем и к 1000 Мбит/с. Такие скорости сделали Ethernet очень востребованным для настольных компьютеров. Примерно в это же время появился дробный фазовый детектор. Эта технология повысила скорость передачи последовательного интерфейса до мультигигабитного уровня. Последова-
5
тельная передача доказала, что может быть «быстрой и сильной» и нашла применение в технологии конструирования кросс-плат. Она заменила параллельную передачу по кроссу. Это привело к уменьшению числа контактов, а следовательно, улучшился такой параметр, как число одновременно переключающихся выхо-
дов SSO (Simultaneous Switching Outputs).
Сегодня высокоскоростной ввод-вывод используется в военной и медицинской электронике, построении сетей, видео, коммуникациях и т.д. Высокоскоростной ввод-вывод также нашел применение в печатных платах для связи между микросхемами, для связи печатных плат друг с другом через кросс-плату и для связи между блоками. Ниже приведен пример отраслевых стандартов, которые используют высокоскоростной ввод-вывод:
•FiberChannel (FC);
•PCI Express;
•RapidIO Serial;
•Advanced Switching Interface;
•Serial ATA;
•1-Gb Ethernet;
•10-Gb Ethernet (XAUI);
•Infiniband 1X, 4X, 12X.
Предметом изучения дисциплины является разработка
узлов, обеспечивающих последовательную высокоскоростную передачу данных во встроенных системах управления.
Создание узлов высокоскоростного ввода-вывода разбивается на ряд подзадач, таких как проектирование логики протоколов передачи данных, разводка печатной платы и обеспечение целостности сигналов с использованием средств аналогового моделировании и тестированием устройств.
Трудоемкость дисциплины поделена на два семестра и составляет 324 ч, из них лекций – 10 ч, практических занятий – 28 ч, лабораторный практикум – 24 ч и самостоятельная работа, включающая выполнение курсового проекта, – 256 ч.
Цель учебной дисциплины состоит в освоение заданных дисциплинарных компетенций в области проектирования цифровых устройств и систем с высокоскоростными соединениями на уровне платы, блока и системы блоков.
Учебное пособие призвано обеспечить формирование следующих дисциплинарных профессиональных компетенций в соот-
6
ветствии с компетентностной моделью выпускника ОПОП по магистерской образовательной программе 22040051.68 «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы»:
–способность самостоятельно приобретать и использовать
впрактической деятельности новые знания и умения для разработки устройств с высокоскоростными трансиверами (ПК-4-1);
–способность к профессиональной эксплуатации современных приборов для анализа целостности сигналов (ПК-5-1);
–способность применять современные методы разработки математических моделей устройств с высокоскоростными трансиверами (ПК-20-3).
Учебное пособие состоит из семи глав. В первой главе определяются базовые понятия ввода-вывода, такие как схема передачи сигналов и синхронизация.
Во второй главе изучаются структура интерфейса SERDES и ее элементы: схемы линейного кодирования, коррекция тактирования, связывание канала и реализация на физическом уровне.
В третьей главе рассматривается логическое проектирование устройств с высокоскоростным вводом-выводом, включающее выбор или разработку собственных протоколов, вопросы обеспечения целостности сигналов при проектировании печатных плат.
Четвертая глава посвящена вопросам моделирования устройств с высокоскоростным вводом-выводом. В ней рассматриваются модели элементов схем ввода-вывода, моделирование линий передачи сигналов с использованием S-параметров.
В пятой главе рассмотрены средства и процедуры тестирования устройств с высокоскоростным вводом-выводом. Внимание уделено таким приборам, как стробоскопический осциллограф, рефлектометр во временной области и анализатор цифровых систем связи. Рассмотрены процедуры получения глаздиаграммы, измерения BER и S-параметров.
В шестой главе приведена организация современных микросхем программируемой логики с высокоскоростными трансиверами ведущих фирм Altera и Xilinx. Рассмотрены примеры
проектирования логики пользовательских протоколов на базе этих микросхем.
В седьмой главе представлены основные сведения о языке проектирования аппаратуры VHDL, который используется в примерах учебного пособия.
7
После каждой главы даны вопросы для самоконтроля. Задача учебного пособия состоит в содействии формирова-
нию таких компонент компетенций, как:
–знание базовых понятий ввода-вывода;
–знание компонентов интерфейса высокоскоростного вво- да-вывода SERDES;
–знание составляющих целостности сигнала;
–знание моделей элементов устройств с высокоскоростным вводом-выводом;
–знание стробоскопических осциллографов, рефлектометров во временной области и анализаторов цифровых систем;
–знание организации программируемой логики с высокоскоростными трансиверами;
–умение анализировать интерфейс высокоскоростных трансиверов с микроструктурой ядра интегральной схемы, программируемой логически;
–умение использовать язык проектирования аппаратуры для моделирования пользовательских протоколов;
–умение использовать SPICE-модели, IBIS-модели и S-па- раметры для моделирования печатных плат с высокоскоростными соединениями;
–умение измерять отражение сигналов и задержку их распространения.
При работе над учебным пособием за основу было взято руководство разработчика устройств на программируемой логике фирмы Xilinx [1] и проекты автора.
8
1. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ВВОДА-ВЫВОДА
1.1.СХЕМЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
1.1.1.Несимметричная схема передачи сигналов
Многие годы стандартом была несимметричная схема передачи сигналов. В несимметричной схеме выход и вход двух ИС связаны с помощью одной сигнальной линии (рис. 1.1). Величина сигнала на линии сравнивается с определенным уровнем напряжения (технологии TTL и CMOS) или с опорным напряжением
(технология HSTL). Так, спецификация LVCMOS (Low-voltage CMOS) имеет следующие значения параметров:
Vcc (напряжение питания) – 2,5 В min, 2,5 В nom, 2,7 В max; Vih (входноенапряжениевысокогоуровня) – 1,7 Вmin, 3,6 Вmax; Vil (входноенапряжениенизкогоуровня) – 0,5 Вmin, 0,7 Вmax; Voh (выходное напряжение низкого уровня) – 1,9 В min;
Vol (выходное напряжение низкого уровня) – 0,4 В max.
Рис. 1.1. Несимметричное HSTL-соединение
Спецификация HSTL (класс 3):
Vcc (напряжение питания) – 1,4 В min, 1,5 В nom, 1,6 В max; Vref (опорноенапряжение) – 0,68 Вmin, 0,75 Вnom, 0,90 Вmax; Vtt (напряжение питания терминального резистора) – Vcc; Vih (входноенапряжениевысокого уровня) – Vref + 0,1 Вmin; Vil (входное напряжение низкого уровня) – Vref – 0,1 В max; Voh (выходноенапряжениенизкого уровня) – Vcc – 0,4 Вmin; Vol (выходное напряжение низкого уровня) – 0,4 В max.
9
1.1.2.Дифференциальная схема передачи сигналов
Дифференциальная схема передачи сигналов (рис. 1.2) первоначально использовалась для длинных линий. Потом ее стали использовать для высокоскоростной передачи между микросхемами печатной платы.
Передатчик |
Приемник |
Токовая петля R
Рис. 1.2. Дифференциальная схема соединения
Вместо сравнения напряжения сигнала с установленным или опорным напряжением при несимметричной схеме передачи в дифференциальной схеме два сигнала сравниваются между собой. Принимающая сторона для определения логического уровня на передаче определяет напряжения между проводниками. Напряжение создается стабильным током на резисторе R (ток меняет направление в зависимости от значения передаваемого логического сигнала). Такой тип передачи называется
токовая петля.
Дифференциальная схема передачи улучшает такой параметр, как EMI (электромагнитная интерференция), поскольку одинаковые и противоположно направленные токи в соседних проводниках создают одинаковые и противоположные электромагнитные поля, что приводит к их взаимному аннулированию.
На рис. 1.3 приведена схема передачи высокоскоростного дифференциального низкоуровневого сигналов по стандарту
LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) [2], где VCM (синфазное напряжение) = (VOL + VOH)/2.
10