.Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями

Министерство 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

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.

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