RocketIO及其在高速数据传输中的应用

　　1.1 输入时钟

RocketIO有三种时钟输入方式：专用差分时钟、共享邻近GTP_Dual的时钟、以及使用FPGA内部时钟。Rocket I/O GTP时钟输入方式如图2 所示。

　图2 Rocket I/O GTP时钟输入方式

　　使用专用差分时钟时，差分的时钟信号通过输入差分缓冲器变为单端时钟，输入到GTP_Dual Tile中的PLL，当使用的时钟源精度满足要求时具有最优的时钟稳定性。

　　从相邻GTP_Dual Tile获得时钟时需要使用GTP专用的时钟通路，但此时GTP_Dual与提供时钟的GTP_Dual Tile间隔的GTP_Dual Tile个数不能超过两个，即每对差分输入时钟最多可驱动7个GTP_Dual Tile。

　　相比于上述两种时钟输入方式，从FPGA内部获得时钟时钟精度最差。这是因为光纤，FPGA内部使用的时钟经过逻辑电路以及BUFG或BUFR缓冲后，会引入较大的时间抖动。但由于在FPGA内部可以灵活变换参考时钟频率，因此在速度与精度要求不太高的场合可采用FPGA内部时钟。经实验验证，对于误码率要求在1‰以下的应用，从FPGA内部获得的时钟信号可以满足要求。

　　1.2 PLL参数设置

　　时钟信号输入到GTP_Dual Tile内部后还需要经过PLL的进一步处理才能使用。PLL可向两个RocketIO提供相互独立的各种时钟信号。PLL内部时钟变换结构如图3所示。

图3 PLL内部时钟变换结构

　　需要注意的是，由于此PLL可用参数（PLL_DIVSEL_FB = [1,2,3,4,5], PLL_DIVSEL_REF = [1,2]）有限，为获得高速串行通信所需频率，输入参考时钟CLKIN仅可在有限范围内选择。因此，参考时钟需通过专用的具有相应频率的晶振提供或在FPGA内部经DCM或PLL变换获得。

　　1.3 PCB设计

RocketIO产生的高速串行信号速度在1 GHz以上时，已经进入微波范围。因此在使用时，其PCB电路的制作也是影响信号传输效果的重要因素。

　RocketIO的供电必须由专用的电源管理模块提供，不能与其他模块电源共享，以减少噪声引入。即使GTP中同一种电源的不同引脚之间也需要通过滤波电路进行隔离，以减少相互之间的影响。为平衡GTP_Dual Tile的负载，只使用其中的一个GTP时，两个GTP的供电应以同样策略进行处理。

　　在布线时，高速差分对走线应当有最高的优先级，以保证其电气特性满足微带线或带状线的要求。走线应当尽量直、短并具有最少的信号层变化。为减少干扰信号的影响，高速线应尽量远离其他有可能会带来噪声的信号线，同时信号线拐角采用45°而避免使用直角。为保证信号的完整性，高速差分信号线的参考平面须保持连续，并尽量以地平面为参考，否则其阻抗特性会发生急剧变化，导致信号的反射增强。

　　　2 RocketIO在高速信号传输中的应用

　　在多种高速数据处理场合都需要对数据进行高速收发。以超高速信号采集系统为例，当采用ADC08D1500采集芯片时，最高可以实现单通道3 Gsps的超高速采样率，数据精度为8位。这时就需要具有足够高传输速率的信号传输机制对信号进行转发。若实现机内通信，可采用PCI Express传输协议；若实现系统间通信，则可使用光纤通信协议或千兆以太网协议。在工程中，上述协议都可通过专用的芯片来实现，但也使得系统变得复杂，同时使电路板的设计空间紧张。而RocketIO对多种高速传输协议的支持，可以使得PCI Express协议、光纤传输协议或千兆以太网协议在同一片FPGA内实现，提高了系统的集成度，并使得信号的处理机制更加灵活。在本文的设计中，采用了PCI Express传输协议来实现机内通信，采用Aurora光纤传输协议来实现系统间通信。系统结构如图4所示。

图4 超高速采集系统框图