（电路与系统专业论文）甚短距离光互联系统高速并行帧同步电路设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 网络和电信网络的快速发展，各种视频音频多媒体通信的广泛应用，对网络的带宽 要求越来越大，光纤通信已经成为信息高速公路的基石。 目前，大量的光网络设各被放置于电信服务提供商的同一机房里。为了降低不同设备间采t i = | j 高 速光互联的成本，光互连论坛( o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ，o i f ) 制订了一系列应用于甚短距离 ( v e r ys h o r tr e a c h ，v s r ) 光互跌的协议，也即是v s r 接口协议，其核心是采用低速并行光链路代 替高速串行的光链路，以降低成本。目前o i f 制订的v s r 接口有1 0 g b w s v s r 4 接口规范和4 0 g b i l s v s r 5 接口规范。本文中所研究的v s r 4 - l 为1 0 g b i t ss t m 一6 4 0 c 1 9 2s d h s o n e t v s r 4 接i s i 规范 中的一个应用协议，它将s t m 一6 4 o c 1 9 2 帧格式数据匹配到十二路并行低速光纤通道上传输。 帧同步电路是数字传输系统中的重要组成部分。v s r 帧同步系统是v s r 转换集成电路的重要组 成部分，s t m 6 4 o c 1 9 2 的数据经过分割排列、编码、插入校验码、帧定界符插入等处理匹配到十 二路l - 2 5 g b i t s 通道上，形成具有新的帧结构的数据流，在接收端v s r 帧同步系统通过搜捕帧同步 码组将接收到的数据重新按照帧结构排列，与发送端保持帧同步，即是将十二路未同步数据转换成 十二路同步数据。帧同步的实现方法有逐位调整法和置位调整法，经比较分析，采用置位调整法。 结合v s r 十二路通道并行传输s t m - 6 4 o c 一1 9 2 帧数据的特点，分析了帧同步系统主要性能参数， 参考i t u - t 的1 3 7 8 3 建议中对s d h 帧同步性能要求的建议，选取了符合v s r 并行传输结构和满足 s d h 性能要求的参数。为了提高系统的稳定性，在电路上采用并行帧同步电路结构，并采用搜捕校 验、同步保护增加系统抗干扰性能。采用自顶向下的设计方法，用v e r i l o gh d l 硬什描述语言对v s r 十二路帧同步系统进行描述，论文中给出了各个电路的结构和仿真结果。同时设计了基于m 序列的 高速误码检测系统辅助该帧同步系统和v s r 系统的测试。 采用现场可编程门阵列实现了该帧同步系统，作为v s r 实验系统的关键模块之一的v s r 帧同步电 路最后在实际系统上测试通过，通过测试结果表明该帧同步系统能够实际应用，达到了设计目标， 在v s r 实验系统中工作稳定。 关键词：甚短距离；同步数字体系；帧同步；伪随机序列；m 序列；硬件描述语言；现场可编程门 阵列 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f i n t e m e ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o no f a u d i oa n dv i d e o ，t h eb a n d w i d t ho f n e t w o r k sw a sr e q u i r e db i g g e ra n db i g g e r , t h eo p t i cc o m m u n i c a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m et h ef o u n d a t i o no f t h ei n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a y , s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) a l r e a d yb e c a m et h ew o r l d sh i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d a tp r e s e n lal a r g ea m o u n to f o p t i cn e t w o r ke q u i p m e n ti sp u ti nt h es a m er o o mo f t h es e r v i c ep r o v i d e r o f t h et e l e c o m m u n i c a t i o n s i no r d e rt or e d u c et h ec o s to fi n t e r c o n n e c t i n gb e t w e e nh i g hs p e e do p t i c a l e q u i p m e n t s ，o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ( o i f ) h a dm a d eas e r i a lo f i m p l e m e n t a t i o na g r e e m e n t so f o p t i c i n t e r l i n kw i t h i nv e r ys h o r td i s t a n c e ，n a m e l yv s ri n t e r f a c ea g r e e m e n t s i t sk e yi n t e n t i o ni st or e p l a c eh i g h s p e e ds e r i a lp a r a l l e lo p t i cl i n kw i t hl o w - s p e e dp a r a l l e lo p t i cl i n kf o rl o w e rc o s t s v s ri sak i n do f p h y s i c sl a y e r st r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，0 1 fh a dp u tf o r w a r dv s ri n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o n a g r e e m e n t so f1 0 g b i f f sa n d4 0 g b i f f s v s r 4 1 i n t e r f a c e 。w h i c ha r es t u d i e di nt h i sa r t i c l e i so n eo f t h e 1 0 g b i f f ss t m 一6 4 o c 1 9 2v s r 4i n t e r f a c ea g r e e m e n t s s t m - 6 4 o c 一1 9 2f 1 0 g b i g s ) f r a m e sa r em a t c h e d i n t op a r a l l e ll o w s p e e df i b e r s w i t h1 2p a i r so f 8 5 0n mm u l t i m o d ef i b e r so f1 2 5 g b i t st oc o m p l e t e f u l l d u p l e xt r a n s m i s s i o n c o n v e r t e ri n t e g r a t e dc i r c u i to f v s r 4 - 1m a d ss t m 一6 4 0 c 1 9 2f r a m ei n t op a r a l l e l o p t i c a li n t e r f a c e s ，a d d i n gc o r r e s p o n d i n gc h e c k i n ga n dc o r r e c t i n gp r o c e s s t h ef r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mt h ev s r f r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h ev s rs y s t e m t h ed a t ao f s t m 一6 4 o c 1 9 2a r e s t r i p e da n da l l i e d ，c o d e d ，i n s e r t e dt h ee r r o rc o r r e c t i n gc o d ea n dt h ef r a m ed e l i m i t e r , t h e nt r a n s m i t t e d t h r o u g ht h e1 2f i b e r s f o r m i n gd a t as t r e a mo f an e wf r a m es t r u c t u r e a tt h er e c e i v ed i r e c t i o n t h ev s r f r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i tr e - a l l i e dt h ef r a m es t m c t u r ea n dm a k es u r et h a tt h ed a t ao f r e c e i v ed i r e c t i o na r e s y n c h r o n i z e dw i t ht h et r a n s m i td i r e c t i o n f r a m ec a nb es y n c h r o n i z e db yt w om e t h o d s a d o p tt h es e ta d j u s t i n gm e t h o da t t e rt h ec o m p a r i n ga n d a n a l y z i n g o nt h eb a s eo f t h ec h a r a c t e r so f s t m - 6 4 o c - 1 9 2d a t a t h r o u g h t h e 】2v s rd a t ac h a n n e l s r e f e r t ot h es d hf r a m es y n c h r o n i z i n gp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to f g 7 8 3r e c o m m e n d a t i o n ，c h o o s et h e c o r r e s p o n d i n gt r a n s m i ts t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r st om e e tt h es d hp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i no r d e rt or a i s et h es t a b i l l t yo f t h es y s t e m ，t h ep a r a l l e lf r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i ti sc h o o s e d f o l l o w i n g t h eu p d o w nd e s i g nt e c h n i q u e ，w ei m p l e m e n tt h e1 2c h a n n e l sf r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i tw i t h v e r i l o gh d l t h es t r u c t u r e sa n ds i m u l a t er e s u l t so f t h ec i r c u i t sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r a l o n gw i t ht h e f r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i t ，t h eb i te r r o rt e s ts y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a d o p t i n gt h ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) t oi m p l e m e n tt h ef r a m es y n c h r o n i s ms y s t e m ，t h e v s rf r a m es y n c h r o n i s mc i r c u i tj st e s t e di nt h ea c t u a ls y s t e ma st h em o s ti m p o r t a n tm o d u l eo f t 1 ev s r s y s t e m i ti sp r o v e dt h a tt h ef r a m es y n c h r o n i s ms y s t e mi sp r a c t i c a la n ds t a b l e t h et e s tr e s u l t sa r ep r e s e n t e d i n t h e p a o e t k e yw o r d s ：v e r ys h o r tr e a c h ；s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ；f r a m ea l i g n m e n t ；m s e q u e n c e ；p r b s ；h d l f p g a i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：茧缝日期：囟皿垒王! 丑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：益熟导师签名 第一章绪论 1 1 光纤通信和s d h ，s o n e t 简介 自从1 9 7 3 年世界上第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成后，由于光纤通信具有频带 宽、通信容量大、传输损耗低、适用于长距离传输和保密性强等一系列的优越性能，使得光纤通信 得到普遍应用，最终使人类信息传输方式有了质的飞跃。 随着新技术的不断出现，光纤通信也从准同步数字系列( p d h ) 的点对点传输发展进入同步数 字体系( s d h ) 的传输网络，光纤通信进入了一个新的时期。 1 9 8 6 年c c i t t ( 现在的i t u - t ) 以美国的同步光网络( s o n e t ) 为基础开始制定s d h 标准。 此后陆续通过了一系列关于s d h 的建议，到目前为止己形成了一个完整的全球统一的光纤数字通信 标准。 s d h 传输网具有以下主要优点： ( 1 ) 全球通用的光接口标准； ( 2 ) 一次到位的同步复用方式使传输系统的硬件品种、数量减少； ( 3 ) 可以简单地升级到更高的速率等级； ( 4 ) 有丰富的开销可供网络管理使用，具有强有力的标准化网管功能； ( 5 ) 具有承载诸如a t m ( 异步传输模式) 的能力。 s d h s o n e t 被定义为一些由s d h s o n e t 网络部件组成的网络。这些形成同步的数字传输、 复接、分接和互联。它有全球通用的网络节点接口( n n i ) ，从而简化了信号的互通以及信号的传输、 复用、交叉连接和交换过程。同时它有一套标准化的信息结构等级( 即同步传输模块s t m ) ，并具 有一种块状帧结构，安排了丰富的开销比特用于网络的运行、管理和维护；基本的网络部件有终端 复用器( t m ) 、分插复用器( a d m ) 和同步数字交叉连接设备( s d x c ) 等，其功能各异，但都有 统一的光接口，能够在基本光缆上实现横向兼容，允许不同厂家设备在光路上互通：它有一套特殊 的复用结构，允许p d h 和s d h 等信号都能进入其帧结构，因而具有广泛的适应性；大量采用软件 进行网络配置和控制，使得新功能和新特性的增加比较方便，适应将来的不断发展。 1 2 甚短距离光互联系统的应用 随着i n t e m e t 和s d h s o n e t 的不断发展，使得越来越多的采用光互联的电信设备放置于同一大 楼甚至同一机房内，在这些短距离光互联采用标准s d h s o n e t 接口器件成本较高，局内短距离采 用甚短距离光互联系统( v s r ) 将大大降低成本。图11 是一个v s r 系统的应用示意图。 v s r 采用s d h s o n e t 帧的接口，用并行光技术来取代昂贵的串行互联，使业务提供者可以低 成本有效地解决客户在入网点内部传送s t m 一6 4 o c 一1 9 2 帧格式数据。v s r 传输设备用由1 2 只8 5 0 n m 垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 组成的激光器阵来代替传统的串行单激光器接口传输1 0 g b i t s 数 据。 v c s e l 是一种新型的半导体激光器，其输出光垂直于衬底，这样的特殊结构能够实现低闽值或 无阈值的激射，大大降低器件功耗，易于研制高密度大规模集成激光阵列。v c s e l 制造工艺与硅工 艺完全兼容，满足了低成本、大规模制备的工业要求。 东南大学硕士学位论文 图11v s r 系统应用示意图 由于信号在多条线路上发送而每条线路的速率较低，故这种技术只需要低成本的光设备，成为 路由器到路由器、路由器到d w d m 终端或路由器到光交叉连接设备这种短距离最理想的传送工具。 1 3 帧同步系统 随着数字通信系统的发展，为了更加有效地利用信道，将低速数据合成一路高速数据传输，为 了保证接收端能和发送端致，必须有一个帧同步系统以实现发送端和接收端的帧同步。 实现帧同步的基本方法是在发送端循环地插入帧同步码组，接收端通过检测该帧同步码组以达 到l 帧同步。 帧同步系统是由发送端的帧同步码组产生电路和插入电路以及接收端的帧同步电路所组成，而 帧同步电路的结构对同步性能的影响是主要的。 1 4 本论文内容介绍 1 0 g b i t s 甚短距离并行光传输模块与实验系统，是中国国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 通 信技术主题攻关项目( 项目编码2 0 0 1 a a l 2 2 0 3 2 ) 。本论文主要研究的是v s r 系统中1 2 路并行帧同 步系统的设计与实现。 本课题的首要目标是使用现场可编程阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 来完成电路的 设计和功能实现。采用自顶向下( t o pd o w n ) 的设计方法，用v e r i l o gh d l 硬件描述语言编写帧同 步模块代码，使用a l t e r a 公司的q u a r t u si ie d a 开发工具实现面向f p g a 的逻辑综合和优化、功能 仿真、布局布线和时序验证。最后所设计的帧同步系统在系统调试验证通过。本论文的所有设计和 验证都是阱v e r i l o gh d l 硬件描述语言和f p g a 为基础进行的。 2 一 第二章f p g a 技术及电子设计自动化 第二章f p g a 技术及电子设计自动化 微电子技术是二十世纪末发展最为迅速的高新技术，自集成电路发明以来，集成电路芯片的发 展基本遵循了摩尔定律。 半导体_ _ l 二艺的线宽正在向深亚微米不断发展，器件的门数以指数规律成倍增加，这些变化使得 包括现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 在内的可编程专用集成电路( a s i c ) 器件无论在密度上和性能上都有很大的发展。而且集成电路的高速发展又推动了电子技术的发展。 电子系统的设计方法由最初的手工设计变为计算机辅助设计( c a d ) ，继而又出现了电子设计自动化 ( e d a ) 。由于e d a 工具的发展，可以重复利用己验证的多种电路，微处理器，多种数字信号处理 器作为库元件或核，在其它设计中加以调用，从而可以生产出各种功耗低、性能高、成本低的新一 代“片上系统”，这表明了集成电路技术已从电路集成走向了“系统集成”，v l s i 技术已经发展到系 统集成的新时代或芯片集成系统的时代。而f p g a c p l d 等可编程器件的飞速发展更加促进了v l s i 设计技术的发展。 2 1f p g a 的结构原理 f p g a 是在可编程阵列逻辑( p a l ) 、通用阵列逻辑( g a l ) 和p l d 等可编程器件的基础上发展 起来的。f p g a 是一种半定制a s i c ，它的出现既解决了全定制a s i c 的不足，又克服了原有p l d 电 路数有限的缺点。 所有的f p g a 在结构上均有一个共同之处，即广义上具有掩膜编程门阵列的通用结构：由布线 资源分割的可编程逻辑单元( 或宏单元) 构成阵列，又由可编程输入输出( i 0 ) 单元围绕阵列构成 这个芯片，排成阵列的逻辑单元，由布线通道中的可编程互连线连接起来实现一定的逻辑功能，即 分段的金属互连线可以由可编程开关以任意方式连接形成逻辑单元之间要求的信号线。典型的f p g a 结构如图2 1 所示，通常，包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程输入输出块和可编程 互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常规则地排成一个阵列，散布于整个 芯片；可编程输入输出块完成芯片上逻辑与外部封装退的接口；可编程内部互连线包含各种i 受度的 连线线段和一些可编程开关，它们将各个可编程逻辑块或者输入输出块连接起来，构成特定功能的 电路。 可编程输入输 囱 口 口 口 口 口 口 v - q 口口口口口口口口 图21f p g a 的基本结构 f p g a 的基本结构的基本可分为查找表型和多路开关型两种类型。 查找表型f p g a 的可编程逻辑单元是由静态存储器( s r a m ) 构成的函数发生器组成，用它来 - 3 - 东南大学硕士学位论文 实现f p g a 的逻辑功能。n 输入的逻辑函数真值表存储在2 “1s r a m 中，s r a m 的地址线起输入 作用，s r a m 的输出为逻辑函数值。n 输入的查找表可以实现n 输入的任意逻辑函数，只要将函数 真值表的位模式预先加载在存储器中，就可以实现所需要逻辑函数。 多路开关型f p g a 逻辑单元的基本结构为多路开关，利用多路开关灵活的数据选择特性，实现 各种逻辑函数的设计。 2 2a l t e r af p g a 的结构和编程原理 a l t e r a 公司为世界上最大的f p g a 供应商之一。该公司的基于c m o s 的f p g a 器件具有高速、 高密度、低功耗的特点。a l t e r a 公司的f p g a 目前有多个产品系列，产品覆盖低端到高端。下面对 设计中所使用到的s t r a t i x 和m e r c u r y 系列作简单介绍。 2 3s t r a t i xf p g a 的结构 s t r a t i x 是a l t e r a 最新一代的1 5 v 、o 1 3 u m 全铜工艺s r a m 工艺的大规模f p g a ，具有功能更强 更灵活的逻辑块，拥有1 1 4 1 4 0 个逻辑单元；内嵌人容量的r a m ( 达到1 0 m b i t s ) ；1 6 个全局时钟， 同时集成多达1 2 个锁相环( p l l ) ，易于时钟的管理和提高性能；支持各种高速接口，可达到8 4 0 m b p s 速率；集成硬件乘法器，可适用于数字信号处理( d s p ) 。s t r a t i x 器件的结构框图如图2 2 所示。 2 3 1 逻辑单元( l e ) 图2 2s t r a t i x 的结构框图 逻辑单元( 1 0 9 i ce l e m e n t ，l e ) 是s t r a t i x 器件的最小逻辑单元。每个l e 包含一个四输入的查找 第二章f p g a 技术及电子设汁自动化 表( l u t ) ，能够实现四变量的任意函数。另外，每个l e 包含一个可编程的寄存器和有着进位选择 能力的进位链。每个l e 能够驱动的连接有本地连接、行互连、列互连、l u t 进位链、寄存器链和 直接互连。l e 的结构框图如图2 3 所示。 每个l e 的可编程寄存器可以配置成d 、t 、j i ( 或者s r 寄存器。每个寄存器有数据、异步置位、 时钟、时钟使能和清零等信号线。全局信号、通用i o 引脚或者内部逻辑可以驱动寄存器的时钟和 清零信号。通用i o 引脚或者内部逻辑可以驱动时钟使能、预置、异步置位和异步数据信号线。当 用于组合逻辑时，将寄存器旁路，u j t 直接驱动l e 的输出信号。 每个l e 有着三个分别驱动本地连接、行资源和列资源的输出。l u t 或者寄存器的输出可以独 立地驱动三个输出。两个l e 输出驱动行或者列和直接连接，一个驱动本地互连资源。这样允许l u t 驱动一个输出的同叫寄存器驱动另外一个输出， 是l e 的寄存器输出可以反馈回到自身的l u t ， 前一十l b l e 的这个特性提高了器件的利用率。另外一个特点 这个特性提供另外一种有效的匹配。 的寄存器链 。 絮落j 同步同步寄帝器旁路 至、 、 进。“1 ill 5 鞭f带 j j 一 进 1 、一同步。书啊鸪 n 一 i 在拢袭 - o 冀 = “ $ d 。， 链i邡 h e n 。0 一帖 。厂 l。一 n ：刊； 器 寄存器 墨习逻辑 寸 一瓣备 叫、慧 圳 + 进输0 2 3 2 逻辑阵列块( l a b ) 图2 3s t r a t i x l e 结构 行、列和 直接连接 本地琏接 奇存器 链输出 每个l a b 由1 0 个l e 、l e 进位链、l a b 控制信号、本地连接、l u t 链和寄存器链所组成。同 一个l a b 之间的l e 信号通过本地连接相连，l u t 链为同一个l a b 内相邻的l e 的l u t 输山之间 提供快速连接，寄存器链为同一个l a b 内相邻的l e 的寄存器输出提供连接通道。 2 3 3 时钟网络和锁相环 s t r a t i x 器件提供1 6 路专用全局时钟网络、1 6 路区域时钟网络和8 路专用快速区域时钟网络。如 图2 4 所示，这些时钟形成一个层次化的刚钟结构，可以为器件的每个区域提供高性能的高达2 2 个 的时钟。s t r a t i x 器件被分为4 8 独立的时钟区域。 全局时钟贯穿整个器什，为四个象限区域所有资源输送时钟。全局时钟网络可以作为所有资源 c l e 、i o e 、d s p 和存储器) 提供时钟。这些全局资源也可以作为控制信号，例如时钟使能和复位 信号。区域时钟网络只能驱动它们所属在的象限，区域时钟能对本象限提供最少的抖动和延时。同 意 东南大学硕士学位论文 时s t r a t i x 在每个象限提供两个快速区域时钟。 c “【1 51 2 】 。【30 】c “n 吼k 74 】 ( a ) 全局时钟 8 】 w l k 【s 1 4 r c 氓【1 31 2 (7 乩k1 5 1 2 】 环【1 叫 =、 r c “f t l 一， 、一 。 一一 c 从n 】 m 32 、二 二， 眦从9 】o 峨 74 】 r c ig 【tb 1 0 f c l 虬1 8 】 m f a 州 7 【32 】，7 1 l 一一- 一1 一l l 一，r i 一，r l 一一- i 一 l 1 一、r i 一、 r 一 7 【5 们，7 7 ( b ) 区域时钟( c ) 快速区域时钟 图2 4s t r a t i x 的时钟网络 s t r a t i x 包含4 个增强型锁相环( p h a s el o c kl o o p ，p l l ) ，便于时钟的管理，增强型锁相环的框 图如图2 5 所示。利用锁相环能够很方便的进行时钟倍频、分频、移相和延时，能够得到多相时钟。 分频倍频可编程 计数器延时 2 3 4s t r a t i x 中的存储器 圈2 5s t r a t i x 增强型锁相环 s t r a t i x 中包含三种r a m ，分别是m 5 1 2 、m 4 k 和m e g a r a m 。虽然这些存储器块结构性能不一， 它们都可以用于实现带有奇偶性校验的全双端口、简单双端口和单端口r a m 、r o m 和f i f o 缓冲 器。 s t r a t i x 中的存储器模块还支持为每个字节提供一个奇偶校验位。该奇偶校验位，连同内部的l e 逻辑一起实现奇偶校验，保证数据的完整性。也可以利用该奇偶校验数据存储自定义控制位。 6 。 输入输出缓冲 输入输出缓冲 第二章f p g a 技术及电子设计自动化 2 3 5 输入输出单元( i o e ) s t r a t i x 的输入输出单元提供强大的功能，包括： 描测试，驱动阻抗匹配，片内差分和单端端接电阻 和可编程输入输出延时。 专用的差分和单端i o 缓冲，支持j t a g 边界扫 输出强度控制，三态缓冲器，可编程上拉电阻 i o e 包含一个双向的i o 缓冲器、六个寄存器、一个锁存器，其结构如图2 , 6 所示。i o e 有两个 输入寄存器( 加上一个锁存器) 、两个输出寄存器和两个输出使能寄存器。 2 4m e r c u r y 系统结构 图2 6s t r a t i x i o e 结构 m e r c u r y 器件同样是a l t e r a 公司的高性能器件，内战了1 8 路速率可达到1 2 5 g b i t s 的数据时钟 恢复( c d r ) 高速收发器和可达8 4 0 m b i t s 的源同步高速收发器，这些高速收发器通过专用的并串和 串并转换器、高速差分接口( h s d i ) 的时钟恢复电路实现，支持低电压差分信号( l v d s ) 等i o 标准。m e r c u r y 器件基于l u t ( 1 0 0 ku p t a b l e 查找表) 和增强存储器的器件使用快速路由资源网络达 到最理想的性能。图2 7 为m e r c u r y 器件系统结构。 m e r c u r y 器件的逻辑单元、逻辑阵列块、输入输出单元和存储器单元和s t r a t i x 器件相差无几， 在这里将不作介绍。f 面将主要对m e r c u r y 所集成的高速收发器作简单的介绍。 e n l 1 l e s be s be s be s b 高速收发机i 0 e 联台l a b 匡 、i 内部l b 匡，+ z 联台l a b 二、 内部l b e + 一一 内部l a b 匡 7 - i l o 医 一i 联旨l b 区 ! 内部l b 区 l内口l n 区 、 j 联台l a b 匡 内部l b 区 -联台l a b 区 r i o 匡 。 ml e s be s bg s be s b 十l n 之问的互连) e s b ：谁 系统块( m 盯c u r y 的存储器荦i ) l a b ：逻辑阼列块 圈2 7m e r c u r y 器件系统结构 一7 东南大学硕士学位论文 2 4 1m e r c u r y 的c d r 收发机 m e r c u r y 的c d r 收发机系统框图如图2 8 所示。 t i 鞣；! 上上 i | 阕= | ；j ：丁tt t肃肃 | ；训。i j 。 斗 一ill 。 v ： l 擅掣l、 乡 一 乡 i 二小并目 号 荆 叫f 一 1 9 裂荨：i l 锱w w 厶_ il h l i | |：r 八 研 _ 辛 r | 发送器 丁丁 冲 输出高速 午亡 $l 迎差分接口输入时 c d r 发送机。 串行数据 川 接收器 输入高速 c d r 接收机 串行数据 图2 8m e r c u r yc d r 接收机和发送机框图 工作在c d r 模式时系统提供一个参考时钟，接收机或者发送机的p l l 将其倍频到与高速数据 速率一致，参考时钟可咀从全局时钟或者专用时钟供给。接收机中，数据经过时钟恢复单元( c r u ) 恢复出高速时钟，然后经过分频后产生低速时钟送到串并转换模块，将高速串行数据转换成低速的 并行数据，同步器是一个内部逻辑时钟域和接收时钟域之间进行转换的f i f o 缓冲器。发送机中，内 部低速并行数据经过同步器送到并串转换模块，参考时钟经过倍频产生高速时钟后送到并串转换模 块，低速数据经过并串转换后得到高速的串行数据。 2 5f p g a 设计流程 f p g a 设计流程大体可分为设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、时序仿真( 后仿真) 、 配置下载等六个步骤，如图2 , 9 所示。下面分别介绍各个设计步骤。 2 5 1 设计输入 设计输入包括使用硬件描述语言( h d l ) 、状态图与原理图等输入方式。h d l 设计方式是现今 设计大规模数字集成电路的良好形式，h d l 语言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强，使 其描述的电路能特定综合器( 如f p g ae x p r e s s 或s y n p l i f y ) 作用下以具体硬件单元较好地实现；而 苎三童!鱼垒垫查墨皇三堂生!垫些一 原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、功能明确等特点。 常用的输入方式是以h d l 语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。 通常，f p g a 厂商软件与第三方软件设有接口，可以把第三方设计文件导入进行处理。如q u a r t u s i i 可以把e d l f 网表和v q m ( v e r i l o gq t l a r t u sm a p p i n gf i l e ) 网表作为输入网表而直接进行布局布线， 布局布线后，可再将生成的相应文件交给第三方进行后续处理。 2 5 2 设计综合 图2 9 f p g a 设计流程 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗及电路类型等， 通过e d a 软件进行优化处理，获得一个能满足要求的电路设计方案。也就是将根据各种约束条件将 h d l 文件综合得到一个硬件电路的实现方案。 2 5 3 仿真验证 设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件包对已实现的设计进行完整 测试，模拟实际环境下的工作情况。功能仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解能否满足设 计的要求，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性；而在布局布线后，通过提取 器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的仿真称为时序仿真，它是接近器件实际运行 的仿真。 2 5 4 设计实现 实现即利片j 实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定各种器件的最佳布局和器件间 的连线。同时生成产生f p g a 配置时的需要的位流文件。 2 , 5 5 时序分析 在设计实现过程中，在映射后需要对器件延时和连线延时进行时序分析：而在布局布线后，也 要对实际布局布线的功能块延时和实际布线延时进行静态时序分析。静态时序分析可以说是整个 9 查鱼奎兰堡主兰焦笙苎 f p g a 设计中最重要的步骤，它允许设计者详尽地分析所有关键路径并得出一个有次序的报告。静 态时序分析器可以用来检查设计的逻辑和时序，以便计算各通中性能，识别可靠的踪迹，检测建立 和保持时间的配合。 2 5 6 下载验证 下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将综合布线后形成的位流下载到具体的f p g a 芯 片中，也叫芯片配置。将位流文件下载到f p g a 器件内部后进行实际器件的物理测试即为电路验证， 当得到正确的验证结果后就证明了设计的正确性。电路验证对f p g a 投片生产具有较大意义。 2 6 基于多种e d a 工具的f p g a 设计 多种e d a 工具相配合实现f p g a 设计流程图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 采用多种e d a 工具实现f p g a 设汁的流程囤 在设计输入阶段，可以使用文本编辑器完成h d l 语言的输入，也可以利用相应的工具以图形方 式完成输入并导出对应的v h d l 或v e r i l o g h d l 格式。现在的e d a 设计工具，可以将原理图状态转 换图、及真值表等输入方式转化为h d l 文件。 从图21 1 中可以看到有三处需要仿真工具进行仿真：第一处是寄存器传输级( r t l ) 仿真，此 级仿真是对设计的语法和基本功能进行验证( 不含时序信息) ；第二处是针对特定的f p g a 器件的仿 真，此级仿真是在综合后、实现前而进行的功能级仿真，功能级仿真一般验证综合后是否可以得到 设计者所需要的正确功能；第三处仿真是门级仿真，此级仿真是针对门级时序进行的仿真，门级仿 真体现出由于布局布线而产生的实际延时。 在综合阶段，使用综合工具应针对设计所指定的约束文件将r t l 级设计功能实现并优化到具有 相等功能且具有单元延时的基本器件中，如触发器、逻辑门等，得到的结果是功能独立于f p g a 的 网表。它不含时序信息，可作为后续的布局布线使用。 在实际阶段，主要是布线工具利用综合后生成的e d i f 网表或v q m 文件基于f p g a 内的基本器 件进行布局布线，输出相应的v h d l 或v e r i l o gh d l 格式文件，以便在仿真工具下进行仿真，同时 生成用于j 占片配置的位流文件。 1 0 兰三至苎望! ! 堕堂三壁至竺 第三章甚短距离光互联系统 以s d h 和s o n e ty , j 4 e 表的光纤通信、互联网快速发展和网络对带宽的爆炸性需求使得光互联 网络得到迅猛发展，大量光互连网络设备放置于电信网络服务供应商的同一栋大楼甚至同一机房里。 为了实现高速互连，这些设备之间采用光互联方式，在局内的短距离连接中，使用低成本的甚短距 离( v s r ) 光互联设备代替长距离光收发设备将节省成本。 3 1s d h s o n e t 的速率等级和帧结构 s d h 中最重要和最基本的传输模块是s t m l ，它的比特率是l5 5 5 2 m b i t s ，光接口处相应的线 路信号是由电信号经加密转换而成的光信号，其比特率仍然是1 5 5 5 2 m b s 。更高速率的s t m - n 信号 是把n 个s t m 一1 通过按字节复接而形成的。目前由i t u t 标准化的n 值有l 、4 、1 6 和6 4 。s o n e t 的基本模块是比特率为5 1 8 4 m b i t s 的s t s - 1 。o c ( o p t i c a l c a r r i e r ，光载波) 也是s o n e t 规范中定 义的传输速度，o c 定义光设备的传输速度，s t s 定义电气设备的传输速度。s o n e t 允许更多的比 特率。 表31s d h s o n e t 的标准比特率 s d hs o n e t 等级比特率( m b i t s ) 等级比特率( m b i t s ) s t s 15 1 8 4 0 s t m 11 5 5 5 2 0 s t s 一31 5 5 5 2 0 s t s 94 6 6 5 6 0 s t m _ 46 2 2 0 8 0s t s 一1 26 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 1 2 0 s t s 2 4 1 2 4 4 1 6 0 s t m 1 62 4 8 8 3 2 0s t s - 4 82 4 8 8 3 2 0 s t s 9 64 9 7 66 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0s t s 一】9 29 9 5 3 2 8 0 s d h 的帧结构是采用以字节为单位的块状帧结构，见图3 1 。每一帧由