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總線分類

總線是一個被用來連接兩個或多個模塊和設備的設計組成。下圖展示了不同總線的分類。

點對點

只連接兩個設備或模塊的一種總線。點對點總線的優(yōu)勢在于更好的信號完整性。

點對多

連接至兩個以上的模塊或設備的總線。點對多總線的優(yōu)勢在于由于低數(shù)量軌跡帶來的低引腳數(shù)量和更簡化的板級設計。

單向

被單一模塊和設備驅動的總線連接至另一個總線。單向總線的優(yōu)勢在于更簡便的執(zhí)行，以及更簡便的板級終端方案。

雙向

可被任何設備或模塊驅動的總線連接至另一總線。其優(yōu)勢在于由于共用相同總線信號帶來的更低的引腳數(shù)量。

源同步時鐘

是一種在一總線上產(chǎn)生伴隨數(shù)據(jù)的時鐘的技術。這一方法的一個優(yōu)勢在于它簡化了系統(tǒng)的時鐘設計，并且將總線驅動從接收方分離開。這一時鐘方案被用在幾個高速接口，如spi和pci接口。時鐘信號可以被分開，或嵌入到數(shù)據(jù)中，并且在接收端恢復。

系統(tǒng)同步時鐘

設備和模塊連接到一個總線并使用一個單一時鐘，不像源同步時鐘方法，系統(tǒng)同步時鐘方案不需要在接收端分離時鐘域。

并行總線

并行總線一般被用于中低頻總線中，對于中低頻的組成并沒有明確的定義，但經(jīng)驗法則認為低于100MHz為低頻。100-300MHz為中頻。

Xilinx 提供了幾個可以被用來設計并行總線的元素：

1.IDDR：

一個專用寄存器，可在FPGA架構中將雙速率數(shù)據(jù)轉換為單速率數(shù)據(jù)輸出。

2.ODDR：

一個專用寄存器，可將輸入單速率數(shù)據(jù)轉換為雙速率外部輸出。

3.IODELAY：

被用來給輸入數(shù)據(jù)提供一個固定或可調節(jié)的延遲或給輸出數(shù)據(jù)提供一個固定延遲的設計元件。IODELAY主要被用來做輸入與輸出數(shù)據(jù)的對齊。

4.IDELAYCTRL：

與IODELAY一起用于控制延遲邏輯。其中一個IDELAYCTRL輸入是一個參考時鐘，它必須是200MHz才能保證IODELAY中的分接頭延遲精度。在高頻率校準并行總線的時候需要調整輸入與輸出的延時。調整過程是動態(tài)的，在電路板加電之后并在操作過程中定期執(zhí)行。執(zhí)行動態(tài)總線校準有幾個原因。例如，溫度和電壓波動會影響信號延遲。此外，由于制造工藝的差異，PCB上和FPGA內部的跟蹤延遲也會有所不同。由于不同信號上的可變延遲，并行總線數(shù)據(jù)可能會偏斜。

串行總線

并行總線不能擴展到更高的運行頻率和總線寬度。設計一個高頻率的并行總線是有挑戰(zhàn)性的因為多個數(shù)據(jù)信號之間的偏差，嚴格的時間預算，以及需要執(zhí)行所有總線信號的長度匹配的更復雜的電路板布局。為了克服這些挑戰(zhàn)，許多系統(tǒng)和幾個眾所周知的通信協(xié)議已經(jīng)從并行遷移到串行接口。其中兩個例子是Serial ATA，它是ATA或并行ATA的串行版本，PCI Express是下一代并行PCI。

串行總線的另一個優(yōu)點是引腳數(shù)量較少。串行總線的一個缺點是它的PCB設計要求更高。高速串行鏈路通常以數(shù)千兆位的速度運行。結果，它們產(chǎn)生更多的電磁干擾（EMI）并消耗更多的功率。

外部串行數(shù)據(jù)流通常轉換為FPGA內部的并行數(shù)據(jù)。這個被稱為SerDes（串行器/解串器）的模塊。串行器將并行數(shù)據(jù)并行轉換為串行輸出，速率更高。相反，解串器將高速串行輸入轉換為并行輸出。由于執(zhí)行串行化和反序列化所需的額外步驟，使用SerDes的缺點是額外的通信延遲; 更復雜的初始化和定期的鏈路訓練; 和更大的邏輯大小。

下圖顯示了實現(xiàn)為兩個SerDes模塊的全雙工串行總線。

1.ISERDES

一個專用的串行到并行數(shù)據(jù)轉換器，以促進高速源同步數(shù)據(jù)采集。它具有SDR和DDR數(shù)據(jù)選項和2到6位數(shù)據(jù)寬度。

2.GTP/GTX

一些Virtex和Spartan FPGA中的嵌入式收發(fā)器模塊。它是一個復雜的模塊，高度可配置，并與FPGA邏輯資源緊密集成。

下圖顯示了Virtex-6 GTX收發(fā)器的框圖。

3.Aurora

Aurora 是一個很高效的低延遲點對點的串行協(xié)議，它使用了GTP收發(fā)器。它旨在隱藏GTP的接口細節(jié)和開銷。Xilinx 提供一個擁有執(zhí)行aurora協(xié)議的用戶友好接口的ip核。核心提供的功能包括不同數(shù)量的GTP通道，單工和雙工操作，流量控制，可配置線路速率和用戶時鐘頻率。

下圖展示了使用了aurora核的點對點通信。