基于LVDS差分接口之IOSERDES的高速串行通信

                                         基于LVDS差分接口之IOSERDES的高速串行通信

0 背景

        最近的项目涉及5片FPGA之间的多机通信，1片主FPGA，4片从FPGA，5片FPGA采用星形连接的拓扑结构。4个从机与主机之间通信接口采用基于LVDS_33的差分IO接口标准，以满足高速率，抗干扰，chip-to-chip的数据流传输架构。各从机与主机通信时，采用全双工传输通信模式，收发双方信号线包括时钟信号tx_clk+，tx_clk-，rx_clk +，rx_clk-，差分数据信号tx_data+，tx_data -，rx_data +，rx_data -，共计4组差分通信链路。由于从主FPGA待传输的数据流通常不是单比特流，常见的数据流位宽为8bits或16bits，此时有以下两种通信方案。

        方法1：采用基于源同步的1路差分时钟信号线和8路并行数据信号线来传输8bits位宽的数据流从理论上是可行的。该方法不足之处为：（1）当对数据流传输带宽提出更高要求时，即要求时钟信号速率更快以满足高速通信时，就可能对出现8路并行信号线之间相位不同步的问题；（2）需要消耗的FPGA管脚资源更多，布线要求也更高。

        方法2：将并行数据转换为串行数据进行传输，然后串行数据在接收端整合为之前发送的并行数据。即在发送端，将8bits的数据流通过OSERDES单元转换为串行数据流bit0，bit1，... ，bit7，通过1路差分信号线输出给接收端；同理，接收端采用相反的传输原理，ISERDES单元将串行数据流bit0，bit1，... ，bit7通过8个移位寄存器缓存后整合为8位宽的数据流，完成串并转换。基于LVDS的差分IO接口支持的传输速率高达1.9Gb/s，故满足常用的高速串行数据通信。

                          

 

1 设计过程

        项目使用的芯片型号为Spartan6的xc6slx16-csg324，待传输的数据流位宽为8位，故IOSERDES的串并因子为8:1，FPGA的IOB集成了IOSERDES软核，故可以直接调用和自定义即可完成对ISERDES、OSERDES两个IP核的配置。

        关于对ISERDES、OSERDES的相关配置可参考以下三个个用户手册。

                   UG382 —  Spartan6  FPGA Clock Source；

                   UG381 —  Spartan6  FPGA SelectIO Source；

                   XAPP1064 —  source synchronize serialization and deserialization。

项目中使用的OSERDES配置参数如下图所示。

                           

 

2 设计关键点

    （1）Spartan6 FPGA芯片仅bank0和bank2支持OSERDES，其他bank不支持；对于ISERDES，所有bank均支持。如果忽略OSERDES对bank的限制，很容易造成在设计原理图时，出现LVDS的IO接口管脚分配问题。

                          

   

    （2）OSERDES数据流输出时钟信号tx_clk的构建。数据流输出时钟信号tx_clk分为两种，分别基于BUFIO2和基于PLL来实现，详见下文。

      a)基于BUFIO2的SDR时钟信号

                        

   

        由于上图可知，将图中ISERDES用OSERDES等价替换即可。BUFIO2的IOCLK为数据流发送时钟，CLKDIV为FPGA内部控制并行数据输送给OSERDES的逻辑时钟，二者对应关系为：IOCLK = DIVCLK * DataWidth。例如，现在数据位宽为8，要求OSERDES串行通信速率为400Mbps，则IOCLK 为400MHz，DIVCLK经过BUFIO2以8分频后为50MHz，则外部晶振输入时钟CLOCK频率也为400MHz。该方法优缺点如下。

    优点：数据流输出时钟信号构造简单，无需PLL倍频等；

    不足：对外部晶振要求过高，例如要求400M甚至更高频率的外部晶振是不太实际的，故需要借助PLL/DCM时钟单元来实现。

   

    b)基于PLL和BUFPLL的SDR时钟信号

                      

   

        由上图可知，方法二增加了PLL和BUFPLL时钟单元，CLKDIV和IOCLK时钟构建依据上图即可完成，注意点是PLL_BASE的CLKOUT0输出没有BUFG做缓冲。例如，同样要求OSERDES串行通信速率为400Mbps，外部晶振CLOCK可以为50MHz，通过PLL倍频，CLKOUT0（8倍频）输出为400MHz，用于IOCLK时钟，CLKOUT2直接作为CLKDIV时钟源，即可满足要求。

      优点：外部晶振频率要求低，且通过PLL倍频操作，IOCLK方便工作于更高频率；

      不足：需要借助PLL/DCM时钟单元来实现。

 

（3）ISERDES数据流输入对BITSLIP信号的控制。

        在ISERDES数据流接收端，提供一个Bitslip信号用于将接收到的数据流进行位对齐。例如发送端发送的数据TX_Data为8'b0110_0010，接收端初始接收到的数据为RX_Data为8'b0011_0001，通过使能Bitslip信号（Bitslip上升沿跳变有效）一次，接收端数据流向左移动一位，RX_Data则由8'b0011_0001变为8'b0110_0010，实现了接收端数据对齐操作。由于发送端和接收端相位关系未知，通常情况下，Bitslip需要使能有效的次数也不确定，但移位操作次数不会超过数据的位宽，否则就是通信链路出现故障。

 

         上图是对Bitslip信号的描述，重点关注：Bitslip信号从有效到无效最小时间间隔至少为1个CLKDIV，经过实测，项目中使用的间隔为4个CLKDIV，当使用1个CLKDIV时间间隔时，接收端数据对齐无法实现。这个细节也影响调试结果和调试进度。

        此外，对于ISERDES数据流接收端，由于差分数据信号和差分时钟均有OSERDES端提供，该差分时钟rx_clk+/-频率等于数据流传输速率，故接收端可以采用基于BUFIO2对rx_clk+/-进行时钟缓冲处理，无需使用PLL等时钟单元，即可得到IOCLK和CLKDIV。

 

3 设计难点

        在整个设计中，有很多需要注意的设计要点，前文其实已有所提及。例如OSERDES仅支持bank0和bank2；IOSERDES的IOCLK和CLKDIV的时钟构建和合理选择；Bitslip数据流对齐控制信号的操作细节。这些都会影响设计和调试结果。除此之外，遇到过的一个最头疼的设计难点如下。

Bufpll mapping error：Constrain Resolved NO placeable site for bufpll。

        为避免错误，项目中所有差分时钟信号和数据信号管脚均分配在bank2。当对OSERDES的IOCLK和CLKDIV的时钟信号构建完毕后（外部晶振输入管脚为V10，位于bank2，频率为50MHz），进行Implement Design步骤，但是编译结果出现错误提示：Constrain Resolved NO placeable site for bufpll。

 

        由图示错误提示可知，BUFPLL这个instance也需要设置为bank2，才能将BUFPLL和IOB的其他parts，如oserdes放置在同一个bank中，故需要对BUFPLL进行位置限制。

      该FPGA芯片位于bank2的BUFPLL有两个：BUFPLL_X1Y0，BUFPLL_X1Y1，对应的PLL_ADV也有两个PLL_ADV_X0Y0，PLL_ADV_X0Y1，因为BUFPLL是用于PLL的CLKOUTx输出缓冲的。

 

故在ucf添加约束如下：

    INST ParaToSerial/bufpll_inst LOC = BUFPLL_X1Y0;

    INST clk_struc/pll_base_inst LOC = PLL_ADV_X0Y0;

本项目中单独对BUFPLL进行位置约束还不能解决问题，于是又进一步对pll_base该instance进行相同的位置约束。此外，发现一个疑点，将约束改为

    INST ParaToSerial/bufpll_inst LOC = BUFPLL_X1Y0;

    INST clk_struc/pll_base_inst LOC = PLL_ADV_X0Y1;（此处更改）

则implement编译时依旧还是会出现相同错误，这个原因我现在也解释不了，欢迎知道的网友热心指导，谢谢！！！

      备注：能顺利解决上述bufpll mapping error，得到了下面博文的启发，在此非常感谢该网友的思路分享。

      参考博文链接：https://www.eefocus.com/yq000cn/blog/10-09/195572_7cc10.html

 

4 设计结果

        项目对基于LVDS差分接口的IOSERDES高速串行数据通信进行了收发测试。数据流传输速率为625Mbps，测试码采用FPGA发送端内部产生的0~255的递增序列，数据流同步码或前导码为0x5a，待发送的并行数据位宽为8位。测试结果见下图所示。

 

        由上图可知，发送端和接收端经过3次Bitslip完成数据流的位对齐操作，当数据对齐之后，发送端开始输出0~255的测试递增序列，接收端经过4个时钟延迟后，正确的接收到数据流。

        此外，为什么接收端与发送端数据流传输间隔为4个时钟，而不是其他？ 原因为项目配置ISERDES工作模式为retimed，接收端要经过4级流水线缓冲器后，才将数据接收到的数据输送给FPGA内部逻辑，故有4个时钟的延迟。如果采用NETWORKING_PIPELINED Mode，则只经过3级流水线寄存器，故只有3个时钟延迟，测试结果见下图。

 

补充说明：

（1）LVDS信号输入端需要进行阻抗匹配，阻值通常为100Ω；该匹配电阻可以外接或者开启FPGA内部片上输入电阻，属性设置为DIFF_TERM = "TRUE";

（2）硬件设计时，差分信号线走等长线，设置该走线阻抗为50Ω；可以在差分信号线两侧采用平行GND走线进行屏蔽，减少差分信号线受到的干扰。

（3）基于该LVDS差分IO接口的高速串行通信尚未考虑对传输数据流进行数据编码，如8b10b编码。采用不同的编码方式可以应用于不同的场合，且可以提高通信链路的稳定性。