文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190593
中文引用格式： 吳劍簫，王鵬,，吳濤,，等. 基于SPCB的處理器直連低延時(shí)PCS的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019,，45(9)：65-70,，76.
英文引用格式： Wu Jianxiao，Wang Peng,，Wu Tao,，et al. Design and implementation of SPCB-based processor directly connected low delay PCS[J]. Application of Electronic Technique，2019,，45(9)：65-70,，76.
0 引言
SERDES(串行解串)是指將數(shù)據(jù)通過高速串行信號(hào)進(jìn)行差分傳輸,，并在接收端恢復(fù)的過程[1]。它具有速率高,、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域。SERDES系統(tǒng)由實(shí)現(xiàn)串行與解串的物理介質(zhì)連接子層(PMA)和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流編解碼的物理編碼子層(PCS)組成[2],。PMA主要由模擬電路構(gòu)成,，延時(shí)較低，一般在6～7 ns以內(nèi),；PCS則由數(shù)字電路構(gòu)成,，實(shí)現(xiàn)編解碼、加解擾和多路對(duì)齊等功能，延時(shí)較大,，通常為幾十納秒,。當(dāng)前的芯片直連應(yīng)用場(chǎng)景要求傳輸延時(shí)最好控制在20 ns以內(nèi)。以處理器的直連接口為例,，Intel QPI(QuickPath Interconnect)與AMD HT(HyperTransport)的傳輸延時(shí)均小于20 ns[3-4],。PCI-SIG推出的CCIX延時(shí)也小于30 ns。但QPI和HT通常適用X86架構(gòu)的芯片互連,，CCIX則有PCIe標(biāo)準(zhǔn)兼容性要求,，給國(guó)產(chǎn)芯片，尤其是CPU應(yīng)用帶來不便,。另外購(gòu)買相關(guān)IP授權(quán)也對(duì)芯片的國(guó)產(chǎn)自主可控帶來隱患,。因此如何降低SERDES系統(tǒng)延時(shí)，進(jìn)而滿足國(guó)產(chǎn)芯片直連應(yīng)用,，是本文重點(diǎn)討論的問題,。
本文介紹基于同源相位補(bǔ)償緩沖(SPCB)的低延時(shí)、超高速PCS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),，其單向帶寬可達(dá)N×32 Gb/s(N為可配置物理通道數(shù)),，收發(fā)延時(shí)為9～11 ns，加上PMA部分6 s延時(shí),，整個(gè)SERDES系統(tǒng)傳輸延時(shí)可控制在17 ns以內(nèi),，能夠滿足芯片直連等應(yīng)用場(chǎng)景需求,。
1 原理介紹
1.1 SERDES系統(tǒng)的PCS
傳統(tǒng)SERDES系統(tǒng)的PCS層由發(fā)送通道與接收通道組成：編碼,、加擾、速率匹配和跨時(shí)鐘域模塊構(gòu)成發(fā)送通道,；解碼,、解擾、速率匹配,、跨時(shí)鐘域和彈性緩沖模塊構(gòu)成接收通道[5],。另外，為了適配多通道傳輸,，高速SERDES系統(tǒng)常需要在發(fā)送端和接收端設(shè)置數(shù)據(jù)分塊與塊重建模塊,。
PCS層中各個(gè)模塊的功能如下：
(1)編解碼模塊：編碼模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并在編碼后的數(shù)據(jù)流中加入用于定界的有效同步位,。解碼模塊根據(jù)有效同步位對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行對(duì)齊,，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)為原始數(shù)據(jù),。
(2)加解擾模塊：利用本征多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼,，使數(shù)據(jù)隨機(jī)化，減少了數(shù)據(jù)中連續(xù)的“0”和“1”的個(gè)數(shù)，避免差分接口上的信號(hào)長(zhǎng)期不跳轉(zhuǎn),，影響時(shí)鐘恢復(fù)而導(dǎo)致誤碼,。
(3)發(fā)送/接收端速率匹配模塊：為了確保PMA側(cè)傳入和傳出的數(shù)據(jù)位寬與接口位寬相一致，需要使用速率匹配模塊進(jìn)行位寬轉(zhuǎn)換,。
(4)彈性緩沖模塊：用于補(bǔ)償本地接收側(cè)與對(duì)端發(fā)送側(cè)的異步時(shí)鐘頻率差異,。通過頻率的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)相位同步,保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。
(5)數(shù)據(jù)分塊與塊重建模塊：根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài),，將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊放入不同的通道中,，并在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)的合并與恢復(fù)。
SERDES系統(tǒng)PCS層的原理圖如圖1所示,。
1.2 PCS層設(shè)計(jì)的優(yōu)化
根據(jù)處理器直連應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn),，對(duì)PCS設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下延時(shí)優(yōu)化：
(1)刪除彈性緩沖模塊。彈性緩沖模塊利用類異步FIFO的方法來補(bǔ)償本地時(shí)鐘與恢復(fù)時(shí)鐘的頻率差異,。其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)與緩沖深度有關(guān),，一般在10個(gè)時(shí)鐘周期以上。由于在一個(gè)機(jī)箱甚至PCB上多顆CPU可采用同源參考時(shí)鐘,，即不存在參考時(shí)鐘頻差,，故可去除此模塊。
(2)編解碼采用32B/34B編碼,。由于PMA的數(shù)據(jù)位寬是32 bit,，若采用傳統(tǒng)的64B/66B進(jìn)行編碼，則需要兩拍數(shù)據(jù)才能進(jìn)行一次編碼,。這會(huì)帶來額外一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),。
(3)采用自研的SPCB進(jìn)行跨時(shí)鐘域處理?；谔幚砥髦边B場(chǎng)景,，PMA各路發(fā)送/接收時(shí)鐘同源不同相，故需要進(jìn)行跨時(shí)鐘域處理,。傳統(tǒng)的異步FIFO則會(huì)帶來至少5～6個(gè)時(shí)鐘周期的延遲,。這里專門設(shè)計(jì)了SPCB進(jìn)一步壓縮延時(shí)。
優(yōu)化后整個(gè)PCS層的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
該P(yáng)CS可配置在多通路模式下工作,，支持自動(dòng)或手動(dòng)切除故障通路，單路單向帶寬可支持到32 Gb/s,，在該速率下整個(gè)PCS層的延時(shí)約為9～11 ns,。同時(shí)PCS還支持?jǐn)?shù)據(jù)通路翻轉(zhuǎn)、遠(yuǎn)端/近端自環(huán),、BIST測(cè)試等多種工作模式,。目前PCS已應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)處理器芯片的直連接口。
2 同源相位補(bǔ)償緩沖（SPCB）的工作原理
由于PCS與PMA側(cè)時(shí)鐘不同，需進(jìn)行跨時(shí)鐘域處理,。在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，常用的跨時(shí)鐘域操作往往會(huì)帶來較大的延時(shí)[6]?？紤]到發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘是同源時(shí)鐘這一應(yīng)用背景,，為進(jìn)一步提高效率，壓縮延時(shí),，本設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)跨時(shí)鐘域的方案進(jìn)行了改進(jìn),。使用同源相位補(bǔ)償緩沖(SPCB)，大大縮短了跨時(shí)鐘域的延時(shí),。
在高速SERDES系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)的跨時(shí)鐘域方案是使用異步FIFO，利用讀寫指針和空滿狀態(tài)進(jìn)行工作[7],，數(shù)據(jù)傳輸延遲約為5～6個(gè)時(shí)鐘周期,。若在PCS的發(fā)送側(cè)與接收側(cè)均采用其進(jìn)行跨時(shí)鐘域操作，則異步交接部分延時(shí)就達(dá)10～12個(gè)時(shí)鐘周期,，很難滿足設(shè)計(jì)低延時(shí)需求,。
考慮到處理器直連接口發(fā)送端與接收端可采用同源時(shí)鐘的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了同源相位補(bǔ)償緩沖,，通過控制讀寫路徑中延時(shí)單元的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖讀寫操作間隔的精準(zhǔn)控制,。設(shè)計(jì)中將同源不同相的時(shí)鐘進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘域操作,。其結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
該結(jié)構(gòu)具體工作原理為：當(dāng)控制信號(hào)有效時(shí)，分別通過兩條由多個(gè)延時(shí)單元組成的邏輯鏈產(chǎn)生讀寫信號(hào),，直接控制Buffer的讀寫,。由于發(fā)送端與接收端的PMA用的是同源參考時(shí)鐘,，因此數(shù)據(jù)讀寫的頻率完全相同,，讀寫指針更新的速率也一致，Buffer中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)將維持一個(gè)定值,。因此整個(gè)buffer既不會(huì)寫滿也不會(huì)讀空,，能夠持續(xù)正常工作。通過配置兩條邏輯鏈之間延時(shí)單元個(gè)數(shù),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫使能信號(hào)間距的控制,，從而控制數(shù)據(jù)讀寫的延時(shí)。通過利用SPCB,，可以將讀寫延遲縮短至1～2個(gè)時(shí)鐘周期,。
SPCB的狀態(tài)工作流程如圖4所示，共計(jì)8個(gè)狀態(tài)。
(1)狀態(tài)1：空閑狀態(tài),。狀態(tài)機(jī)在未傳輸或傳輸完成后處于空閑狀態(tài),。清零并關(guān)閉計(jì)數(shù)器。等待數(shù)據(jù)傳輸開始的start信號(hào),，進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn),。
(2)狀態(tài)2：初始化狀態(tài)。在收到了start信號(hào)后,，在數(shù)據(jù)傳輸開始之前對(duì)同源相位補(bǔ)償緩沖進(jìn)行初始化,。置低讀寫使能信號(hào)，清空buffer中的數(shù)據(jù),，同時(shí)打開計(jì)數(shù)器并清空傳輸完成狀態(tài)信號(hào),。
(3)狀態(tài)3：寫狀態(tài)。初始化后,，經(jīng)過TX_DLY_CNT個(gè)時(shí)鐘周期,，寫使能置高。更新寫數(shù)據(jù)和寫指針,，向buffer中寫入數(shù)據(jù),。
(4)狀態(tài)4:讀寫狀態(tài)。初始化后,，經(jīng)過RX_DLY_CNT個(gè)時(shí)鐘周期,，讀使能也被置高。開始更新讀數(shù)據(jù)和讀指針,，在寫入數(shù)據(jù)的同時(shí)讀出數(shù)據(jù),。
(5)狀態(tài)5:傳輸結(jié)束狀態(tài)。在讀寫狀態(tài)下檢測(cè)到start信號(hào)變?yōu)?時(shí),，進(jìn)入該狀態(tài),。清零計(jì)數(shù)器time_cnt的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫使能信號(hào)的關(guān)閉控制,。
(6)狀態(tài)6：讀狀態(tài),。傳輸結(jié)束狀態(tài)后，經(jīng)過TX_DLY_CNT個(gè)時(shí)鐘周期,，寫使能置低,。停止向buffer中寫入數(shù)據(jù)，讀使能依舊為高,。繼續(xù)進(jìn)行剩余數(shù)據(jù)的讀出,。
(7)狀態(tài)7：傳輸完成狀態(tài)。傳輸結(jié)束狀態(tài)后,，經(jīng)過RX_DLY_CNT個(gè)時(shí)鐘周期,，讀使能置低,。此時(shí)buffer中的所有數(shù)據(jù)均已讀出，不再進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,。同時(shí)置高傳輸完成狀態(tài)信號(hào),。
(8)狀態(tài)8：停止?fàn)顟B(tài)。該狀態(tài)在正常數(shù)據(jù)傳輸基本不會(huì)出現(xiàn),。若是由start信號(hào)異常導(dǎo)致在初始化狀態(tài)檢測(cè)到start信號(hào)變低進(jìn)入該狀態(tài),，則跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。若因發(fā)送數(shù)據(jù)較短(小于3個(gè)),，在寫狀態(tài)檢測(cè)到start信號(hào)為0,，則進(jìn)入讀狀態(tài)，將寫的數(shù)據(jù)讀出,。
其行為圖與對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖分別如圖5,、圖6所示。
在圖6中,，寫時(shí)鐘tx_clk與讀時(shí)鐘rx_clk是同源不同相的兩個(gè)時(shí)鐘,，通過利用SPCB，與寫時(shí)鐘對(duì)齊的數(shù)據(jù)wdata轉(zhuǎn)變?yōu)榱伺c讀時(shí)鐘對(duì)齊的數(shù)據(jù)rdata,，實(shí)現(xiàn)了跨時(shí)鐘域的操作,。
利用同源相位補(bǔ)償緩沖，可以通過配置邏輯鏈之間延時(shí)單元個(gè)數(shù)的差值,，實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫使能信號(hào)間距的控制,。圖5中，邏輯路徑1和邏輯路徑2上的延時(shí)單元個(gè)數(shù)分別為2和4,，讀寫數(shù)據(jù)傳輸延遲為2個(gè)時(shí)鐘周期,。SPCB可以將跨時(shí)鐘域延時(shí)由原先的5～6個(gè)時(shí)鐘周期縮短至1～2個(gè)時(shí)鐘周期。在PCS的發(fā)送與接收端均采用SPCB,，可將整個(gè)SERDES系統(tǒng)的傳輸延時(shí)降低6～10 ns(32 Gb/s通信速率下),。目前同源相位補(bǔ)償緩沖這一設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利[8]。
3 延時(shí)檢測(cè)
3.1 數(shù)字設(shè)計(jì)的理論延時(shí)
通過對(duì)設(shè)計(jì)的PCS進(jìn)一步的分析,，各個(gè)模塊的延時(shí)如表1,、表2所示。
可以看出,，該P(yáng)CS的理論延遲為9～11個(gè)時(shí)鐘周期,，并且在絕大多數(shù)情況下其延時(shí)在10個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)。對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)期望值為9.12拍,。即32 Gb/s的傳輸速率下，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)延時(shí)為9.12 ns,。
3.2 仿真延時(shí)的檢測(cè)
通過觀察波形,，計(jì)算發(fā)送端發(fā)送到第一個(gè)數(shù)據(jù)到接收端接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間差可以確定整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的延時(shí),。通過圖7、圖8可以看出此時(shí)發(fā)送端延時(shí)為4～5時(shí)鐘周期,，接收端延時(shí)為5～6個(gè)時(shí)鐘周期,，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延時(shí)為9～11個(gè)時(shí)鐘周期，與理論值相符,。
3.3 實(shí)際延時(shí)的測(cè)試
為了進(jìn)一步檢測(cè)該P(yáng)CS的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),，本文參照相關(guān)文獻(xiàn)[9-12]，利用FPGA進(jìn)行測(cè)試,。
本次測(cè)試選用了Xilinx公司的基于Xilinx kintex-7 FPGA的XC7K325T-IMG開發(fā)板,，使用兩塊開發(fā)板上的GTX（Gigabit Transceiver，吉比特收發(fā)器）接口將各自發(fā)送端經(jīng)過發(fā)送路徑的數(shù)據(jù)連接到另一塊FPGA的接收端,，分別通過板上的SPI接口[13]與PC進(jìn)行通信,，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。其結(jié)構(gòu)圖如圖9所示,。
在進(jìn)行測(cè)試延時(shí)之前,，首先應(yīng)解決以下兩個(gè)問題：首先整個(gè)PCS的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)是納秒級(jí)的，而SPI模塊的讀寫時(shí)鐘頻率一般只有幾十兆,，無法實(shí)現(xiàn)延時(shí)的實(shí)時(shí)讀取;其次利用FPGA測(cè)得的傳輸延時(shí)不僅包含了PCS延時(shí),，還包含了PMA延時(shí)、線纜延時(shí)以及FPGA上的門電路延時(shí)等其他延時(shí),，會(huì)對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果造成影響,。
針對(duì)以上兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一種利用FPGA對(duì)PCS進(jìn)行延時(shí)的方案,。該方案的主要原理如下：
通過利用多個(gè)延時(shí)的總時(shí)間和延時(shí)的個(gè)數(shù)來求出平均延時(shí),。傳輸延時(shí)是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)與接收端受到數(shù)據(jù)的時(shí)間差?？紤]到數(shù)據(jù)接收端在接收到數(shù)據(jù)后rx_valid信號(hào)才會(huì)置高以及發(fā)送端只有在tx_valid信號(hào)為高時(shí)才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù),，設(shè)計(jì)了以下系統(tǒng)延時(shí)測(cè)試方法：
配置發(fā)送端發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)開始發(fā)送時(shí),，tx_valid信號(hào)由低變高,。當(dāng)接收端收到數(shù)據(jù)后，rx_valid信號(hào)變高,，在下一個(gè)時(shí)鐘周期置低tx_valid信號(hào),。即之后的數(shù)據(jù)不會(huì)被傳輸，經(jīng)過一段時(shí)間后rx_valid信號(hào)也會(huì)變低,。然后再開啟tx_valid,。當(dāng)rx_valid變高后再關(guān)閉tx_valid，以此類推,。工作流程如圖10所示,。
設(shè)整個(gè)系統(tǒng)延時(shí)為t個(gè)時(shí)鐘周期,，通過上圖可以看出，rx_valid信號(hào)的一次翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)著(t+1)個(gè)時(shí)鐘周期,。而1個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)一拍32 bit的數(shù)據(jù)傳輸,。所以32 Gb/s速率下系統(tǒng)延時(shí)t(ns），rx_valid變高次數(shù)j,，程序運(yùn)行時(shí)間T(s)與時(shí)鐘頻率f(GHz)滿足以下關(guān)系：
故可通過寄存器記錄rx_valid由低變高的次數(shù),，結(jié)合程序運(yùn)行時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸頻率，求出系統(tǒng)延時(shí),。
該方法測(cè)試的延時(shí)是包含了PMA延時(shí),、線纜延時(shí)以及FPGA上的門電路延時(shí)等其他延時(shí)的整個(gè)系統(tǒng)延時(shí)?？紤]到PMA延時(shí)基本為一定值,，而其他的延時(shí)基本是elmore延時(shí)，大小僅取決于電路中的電阻和電感,，與頻率無關(guān),。故可通過測(cè)試在兩個(gè)不同頻率下的系統(tǒng)延時(shí)，得出PCS層的延時(shí),。
設(shè)32 Gb/s速率下系統(tǒng)pcs的延時(shí)為tp(ns),，其他延時(shí)為to(ns），則式(7)可表達(dá)為：
從而求得系統(tǒng)中PCS部分延時(shí)tp,。同時(shí)由于開發(fā)板上的GTX也是由PCS和PMA組成的,，因此該設(shè)計(jì)的實(shí)際延時(shí)應(yīng)再減去GTX的PCS延遲，此延遲經(jīng)仿真實(shí)測(cè)約為15個(gè)周期左右,。在32 Gb/s的傳輸速率下對(duì)應(yīng)物理延時(shí)為15 ns,。
在本次測(cè)試中選取f1=2.5 GHz，f2=2 GHz,，T=60 s,，分別測(cè)量j1和j2的多次平均值,，測(cè)量結(jié)果如表3所示,。
通過方程組(3)可求出tp=24.48 ns。即32 Gb/s速率下PCS的總延時(shí)為24.48 ns,，去除GTX的PCS延時(shí)15 ns，整個(gè)設(shè)計(jì)的PCS延時(shí)為9.48 ns,，與理論計(jì)算值9.12 ns的誤差約為3.95%,，可認(rèn)為是測(cè)量誤差。
4 結(jié)論
以SERDES為代表的高速串行接口技術(shù)代表了當(dāng)今數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),。如何進(jìn)一步壓縮PCS傳輸延遲是SERDES技術(shù)發(fā)展所需解決的迫切難題,。本文在SERDES技術(shù)的基礎(chǔ)上,，通過利用自研相位自適應(yīng)緩沖(SPCB),，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低延時(shí)超高速PCS。分析探討了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn),，并針對(duì)CPU直連這一應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)部分模塊進(jìn)行優(yōu)化,。還對(duì)其延時(shí)從理論、仿真與FPGA實(shí)測(cè)3個(gè)方面進(jìn)行了分析,。相比傳統(tǒng)的PCS方案,，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小,，在32 Gb/s的通信速率下僅為10 ns左右，可應(yīng)用于處理器直連以及2.5D/3D封裝die互連等高速通信場(chǎng)景,。該研究成果目前已應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)處理器直連接口,，為國(guó)產(chǎn)裝備自主可控提供了有力支撐。
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作者信息:
吳劍簫1,，王 鵬2,，吳 濤1，高 鵬1,，陳文濤3,，4
(1.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海200120,；2.上海大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院,，上海200444；
3.上海芯來電子科技有限公司,，上海201411,；4.數(shù)學(xué)工程與先進(jìn)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214125)