摘  要： 提出一种基于FPGA的动态相位调整实现方案。在高速数据传输接口中，由于数据窗缩小以及传输路径不一致，造成数据和时钟信号在FPGA的接收端发生位偏移和字偏移。动态相位调整技术根据当前各数据线物理状态，对各信号线动态进行去偏移操作，克服了静态相位调整中参数不可再调的缺点，使接口不断适应外部环境的变化，从而保证数据的可靠传输。 

    关键词： FPGA；动态相位调整；位偏移；字偏移；静态相位调整

    随着单线传输速率不断接近于1 Gb/s，使每位所占的时间窗不断减小，导致采样时钟对信号线的采样点很难在其有效区间进行准确采样；再加上传输路径的不同，各数据线和采样时钟到达接收端的延迟时间不能保证完全一致，从而带来了各信号线之间的位偏移(Bit Skew)和字偏移(Word Skew)^[1]，如图1所示。位偏移为采样时钟沿不在各数据窗口的中心位置采样，可能会导致数据采样保持时间不够长，易使bit位发生瞬间突变，从而导致接收的数据不稳定；字偏移是指采样接收后的各数据信号之间不同步，使得同时在发送端发送的数据在接收端却不能同一时刻被采样，导致接收的数据无效。 

    静态相位调整SPA（Static Phase Alignment）通过匹配时钟线和数据线的长度^[2]，使各信号在其传输线上延时相等。SPA过程将耗费大量劳动和时间，而且其设定的参数静态只针对板卡当前的物理状态，不能适应外部环境的变化。采用动态相位调整DPA(Dynamic Phase Alignment)技术^[3]，则根据当前各信号线物理状态，每次系统上电后，自动对各信号线进行去偏移操作，从而使相位调整的参数适合当前物理状态，保证了相位调整的时效性。所以，DPA技术能够使通信接口不断适应外部环境的变化，避免由于相位偏移而导致的数据采样错误，从而保证了数据的可靠传输。 

1 DPA在FPGA上实现 

    为保证接送端可靠并有效接收数据，用于去偏移的DPA设计方案必须具有消除位偏移和字偏移的功能。在DPA过程中，发送端不停地发送训练序列，而接收端首先对承载各数据的传输线进行位校正，利用PFGA内部的IDELAY功能，对各个数据线进行不同程度的精确线延迟操作，使数据窗的中心位置都正对着采样时钟的边沿；在完成位调整的基础上，接收端以bit为基本单位，利用BITSLIP功能分别调整各数据线解串后的并行数据，使并行输出数据都调整到预先设定的同步字模式，从而实现各数据通道接收数据同步。在SPI4-4.2接口中^[4]，其训练序列定为“00000000001111111111”，其同步字为“0011”。 

1.1 ISERDES核介绍 

    在接口设计中采用了Xilinx 公司的Xc4vlx160 FPGA^[5]，在FPGA间的收发双方利用16个外部差分管脚进行器件间高速传输。每个输出管脚都在FPGA内部对应一个并串转换(OSERDES)核，该核内有倍频电路以及并串转换功能，将内部的并行数据串化后送到发送端的外部输出管脚。 

    接收端的每个输入管脚在FPGA内部都对应一个串并转换核(ISERDES)，在其内部分别嵌入IDELAY线延迟核和BITSLIP位偏移核，如图2所示。IDELAY线延迟核将串行输入数据在其内部进行精确延迟，提供可调的64级抽头线延迟功能，对应的最大延迟时间为5 ns，则Bit alignment提供的最小延迟颗粒度为78.125 ps，其初始化值设为零延迟。IDELAY线延迟核提供dlyce和dlyinc两个输入控制信号。当dlyce输入为高电平时，表明IDELAY处于工作状态，此时dlyinc每置一周期的高电平，信号线的延迟就增加一级；而dlyinc每置一周期的低电平，信号线的延迟就减少一级。 

    BITSLIP字偏移核内部提供串并转换和位调整功能，每个并串转换器的最大并行输出宽度为6，若需要更宽的并行数据输出，可以以主从模式将两个相邻的ISERDES连接在一起，最大提供10位的并行输出。BITSLIP的位调整功能将并行输出数据存储并对数据进行移位，提供bitslp输入控制信号，通过控制bitslip信号，对输出数据进行左移或右移，最终使并行输出数据的排序满足本DPA方案中设定的同步字格式。 

1.2 DPA设计方案 

    由于FPGA之间数据总线宽度为16 bit位，当FPGA的内部总线宽度为64 bit位时，从管脚输入的串行数据将被转换成4 bit位宽的内部并行格式。在DPA训练过程中，发送端分5个周期发送训练序列“0000_0000_0011_1111_1111”，以5个周期为一次循环，如此反复。定义“0011”为同步字，作为各数据线解串后需匹配的固定数据格式。 

    在接收端的DPA包括位校正（Bit alignment）和字校正（Word alignment）2个模块，如图3所示，并以5个周期作为基本时间单位进行去偏移操作。Bit alignment模块通过控制Idelay硬核的dlyce和dlyinc两输入信号，对每个数据线都进行精确的线延迟，使采样时钟沿正好位于各自信号数据窗的中心位置。各个数据通道的Bit alignment调整完成以后，分别给其Word alignment模块发送ready信号，然后Word alignment模块通过Bitslip字偏移核进行字调整，使各信号线的并行输出数据中出现同步字匹配，即“0011”，表明采样后的数据分别为“0000”、“0000”、“0011”、“1111”和“1111”，从而接收端的各信号线的并行输出都保持同步，此时即可认为接收端已完成DPA功能，两FPGA之间可以发送有效数据。 

    当其支持内128 bit位宽格式时，输入的串行数据被转换为8 bit位宽的内部并行格式，训练序列为“00000000_00000000_00001111_11111111_11111111”，同步字定为“00001111”， 其DPA的具体实现过程不再详述。 

2 DPA内部功能模块 

2.1 Bit alignment位校正模块 

    Bit alignment校正模块的主要功能是对输入的串行流进行精确的线延迟，最终使采样时钟沿置于被采数据窗的中心位置。由于各数据流经过不同的传输路径后所产生的线延迟不可知，只知周期性的训练序列被采样输出5个4位并行数据，其集合为“0000”、“0001”、“0011”、“0111”、“1111”、“1110”、“1100”和“1000”，而且输出的5个4 bit并行数据不可能全为“0000”或“1111”，因此必存在某并行数据中同时存在‘0’和‘1’，如“0001”、“0011”等，此处为串行流电平的变化沿。在此基础上，Bit alignment位校正模块按照下述步骤进行： 

    (1)首先搜索出串行数据流电平的变化沿，具体实现方法为将解串输出的4 bit并行数据中相邻的bit位两两执行异或操作，得到3 bit的edge_info。若edge_info不全为‘0’，则采样数据处于串行流的‘0’和‘1’变化位置，以“0111”为例，其edge_info=“100”，如图4所示。 

    (2)每次循环训练就通过控制dlyce和dlyinc对信号线的延迟增加一级，并不断对新输出的4 bit位数据两两执行异或操作，得到edge_info_new，将edge_info_new与原edge_info逻辑右移一位的值比较。若比较的值不同，则重复(2)，否则执行(3)。 

    (3)此时采样时钟位于前后bit位的边缘处，如图5所示。原输出的“0111”变为“0011”，edge_info由“100”变为“010”，表明后一bit位的左边缘被采样，称之为LEFT_EDGE状态。此时将处于该状态的线延迟级数记为counter1，并将edge_info_new值赋给edge_info。 

    (4)继续增加信号线的延迟，将新得到的edge_info_new与edge_info逻辑右移两位的值比较。若比较的值不同，则重复(4)，否则执行(5)。 

    (5)此时采样时钟位于前后bit位的边缘处，如图6所示，记为前一bit位的右边沿，称之为RIGHT_EDGE状态，并记录处于该状态时的线延迟级数，记为counter2。 

    (6)将处于LEFT_EDGE与RIGHT_EDGE状态的延迟级数的中间位置即为数据窗的中心位置，通过控制dlyce和dlyinc信号不断递减其延迟值，最终使Idelay的延迟级数调整为（counter1＋counter2）/2。位校正的处理流程如图7所示。 

2.2 Word alignment字校正模块 

　　当Bit alignment位校正完成以后，通过其ready信号告知Word alignment模块，采样时钟已置于各数据线的数据窗的中心位置，可以对并行输出数据进行字调整。在DPA过程中，发送端将每20位的训练序列分为“0000”、“0000”、“0011”、“1111”和“1111”，以5次串化过程为一次循环进行发送。各信号线上的训练序列经过不同的传输路径到达接收端，并经过Bit alignment位校正后，各串行流经过并行输出的4 bit数据不一定为“0000”、“0000”、“0011”、“1111”和“1111”这5种状态，因此需要对输出数据进行移位操作。 

    Word alignment字校正的目的是通过Bitslip操作，使解串输出的并行输出值出现同步字“0011”，从而使各信号线并行输出的4 bit数据为“0000”、“0000”、“0011”、“1111”和“1111”这5种状态，则接收端和发送端保持同步，接收数据有效。Word alignment将并行输出值与“0011”相比较，如果输出值为“0011”，则该信号线不需要进行字调整；否则激活一次bitslip操作，即对bitslip信号输入一周期的高电平，如此反复，直至输出的数据出现同步字“0011”，则认为该信号线的Word alignment字校正完成。其处理流程如图8所示。当各个信号线的Word alignment字调整完成以后，整个接收端的DPA训练就结束，此后本接口就可以用于传输应用数据。 

3 工程实现与结论 

    在路由器设计中，负责包处理的FPGA之间的高速接口设计中就采用本DPA设计方案，发送端的输出时钟频率超过400 MHz，且数据线采用双边沿触发，则其单线传输速率大于800 Mb/s。在接口中采用16位数据线，则整个接口的传输带宽高达800 Mb/s×16=12.8 Gb/s，足以满足支持10 Gb/s接入处理的应用需求。图9为实际采样的动态相位调整效果图。 

    采用DPA实现方案，使通信接口根据当前接口中各数据线的物理状态，实时自动对各信号线进行去偏移操作，不断适应外部环境的变化，保证数据的可靠传输，因此具有很好的应用推广价值。 

参考文献 

[1] Frenzel，Louis.Serializer/Deserializer Creates Low-cost，Short 10-Gbit/s Optical Links[J].ElectronicDesign，2001，49(3)：41. 

[2] MONTROSE M I.电磁兼容和印刷电路板：理论、设计和布线[M]．北京：人民邮电出版社，2002：44-46. 

[3] TZE Yeoh.Dynamic phase alignment with chipSync technology in Virtex-4 FPGAs[J].2005-01-15，http：//china.xilinx.com/publications/xcellonline/xc_v4chipsync52.htm. 

[4] Xilinx.Virtex-4 User Guide ug070(v2.0)[R].San Jose，CA：Xilinx，2006. 

[5] Optical Internetworking Forum.Implementation Agreement：OIF-SPI4-02.10[R].Fremont，CA：Optical Internetworking Forum，2003.