張琴1，楊瑩1，楊燦美2，林福江1
（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230027）
摘要：10GBASE-KR變速箱的功能是實現(xiàn)156.25 MHz下66 bit數(shù)據(jù)與644.53 MHz下16 bit數(shù)據(jù)之間的通信。該文在深入研究萬兆以太網(wǎng)物理編碼子層（Physical Coding Sublayer ,PCS）的功能以及變速箱原理的基礎(chǔ)上，提出一種新的變速箱實現(xiàn)方法，將其分成讀寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和異步FIFO(First In First out)兩個模塊，完成發(fā)送通道和接收通道的設(shè)計。該方法有效減少了存儲器的數(shù)目，使存儲器數(shù)目由原來的528個減少到82個。本設(shè)計使用Verilog硬件描述語言，采用ModelSim進(jìn)行功能仿真，并利用EDA(Electronic Design Automation)工具完成邏輯綜合。仿真結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)了變速箱的功能要求，并具有面積小、速度快的特點。
關(guān)鍵詞：變速箱；萬兆以太網(wǎng)；PCS；邏輯綜合
0引言
圖1PCS層功能結(jié)構(gòu)圖變速箱的功能是在保證數(shù)據(jù)率不變的前提下，完成高速信號與低速信號之間的通信，廣泛應(yīng)用于高速通信系統(tǒng)中。萬兆以太網(wǎng)作為以太網(wǎng)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，具有工作速率快、可靠性高、應(yīng)用范圍廣的特點，有著廣泛的發(fā)展前景。本文根據(jù)10GBASEKR協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一種新的物理編碼子層（PCS）變速箱實現(xiàn)方法，有效地簡化了電路的復(fù)雜度。
1PCS層的功能與結(jié)構(gòu)
PCS層位于媒體訪問控制子層（MAC）與物理介質(zhì)連接子層（PMA）之間，通過XGMII接口和PMA服務(wù)接口與上下層實現(xiàn)通信［1］。PCS層的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖可知，PCS層由發(fā)送通道和接收通道構(gòu)成，發(fā)送通道將XGMII傳輸?shù)?2 bit（兩路32 bit的TXD和4 bit的TXC）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16 bit的數(shù)據(jù)發(fā)送到PMA層，包括CRC8插入模塊、64 B/66 B編碼器、擾碼器和變速箱；接收通道接收PMA傳輸?shù)?6 bit的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為72 bit（兩路32 bit的RXD和4 bit的RXC）數(shù)據(jù)，包括CRC8移除模塊、64 B/66 B解碼器、解擾碼器和變速箱。整個PCS層以及XGMII接口的時鐘頻率為156.25 MHz，PMA層的時鐘頻率為644.53 MHz［2］。
2變速箱原理及傳統(tǒng)設(shè)計方法
由PCS層結(jié)構(gòu)圖可知，變速箱位于擾碼器/解擾碼器和PMA層之間，完成156.25 MHz的低速信號與644.53 MHz的高速信號間的通信。
發(fā)送通道中，變速箱的輸入為由擾碼器輸出的64 bit數(shù)據(jù)和64 B/66 B編碼器輸出的2 bit同步頭構(gòu)成的66 bit數(shù)據(jù)，輸出是16 bit數(shù)據(jù)，并發(fā)送到PMA層；接收通道中，變速箱輸入為PMA傳輸?shù)?6 bit數(shù)據(jù)，輸出66 bit數(shù)據(jù)，并將同步后的64 bit數(shù)據(jù)傳送到解擾碼器以及將2 bit同步頭傳送到64 B/66 B解碼器。
變速箱完成數(shù)據(jù)率為10.312 5 Gb/s信號間的傳輸，實現(xiàn)156.25 MHz下66 bit數(shù)據(jù)與644.53 MHz下16 bit數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
傳統(tǒng)的變速箱結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示［3］。圖2為發(fā)送通道變速箱結(jié)構(gòu)圖，其中，1 T~8 T是8個存儲單元，深度為66 bit，總共528 bit的存儲單元，每個存儲單元對應(yīng)每個時鐘周期的輸入數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)選擇器在輸出時鐘有效沿到來時選擇一路數(shù)據(jù)輸出。該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的是8個66 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為33個16 bit數(shù)據(jù)。
圖4發(fā)送通道變速箱電路結(jié)構(gòu)圖圖3為接收通道變速箱結(jié)構(gòu)，其中，1 T~33 T是33個存儲單元，深度為16 bit，同樣耗費528 bit的存儲單元，每個存儲單元對應(yīng)每個時鐘周期的輸入數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)選擇器在輸出時鐘有效沿到來時選擇一路數(shù)據(jù)輸出。從而實現(xiàn)16 bit數(shù)據(jù)到66 bit數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
這種電路結(jié)構(gòu)耗費的存儲器太多，導(dǎo)致整個電路的面積很大，并且造成很大的延遲。為了保證數(shù)據(jù)輸出時輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定建立，數(shù)據(jù)選擇器的第一次輸出選擇的是第12個16 bit，還需人為加入17.05 ns的延遲［3］。另外，這種結(jié)構(gòu)的控制信號不易產(chǎn)生，電路的穩(wěn)定性大大降低。本文提出一種新的設(shè)計方法能夠有效地解決上述問題。
3新的變速箱設(shè)計
變速箱的設(shè)計難點是輸入數(shù)據(jù)寬度與輸出數(shù)據(jù)寬度不成整數(shù)倍，所以每次發(fā)送或者接收到的數(shù)據(jù)不能正好全部發(fā)完，剩下的數(shù)據(jù)必須等下一時刻數(shù)據(jù)到來時再發(fā)送。而且每次剩余的數(shù)據(jù)位置是不固定的。
本文將變速箱分為兩個部分：讀寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和異步FIFO模塊。讀寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理剩余比特數(shù)據(jù)問題，異步FIFO模塊完成跨時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸。
發(fā)送通道中，本文選用16位的寄存器緩存每次讀取數(shù)據(jù)所余下的2 bit數(shù)據(jù)。每次寫操作對應(yīng)4次讀操作，在第8次寫操作時，16位的寄存器中緩存了16 bit的數(shù)據(jù)，所以，對應(yīng)5次讀操作，以實現(xiàn)8個66 bit的寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為33個16 bit的讀數(shù)據(jù)。
本設(shè)計難點在于如何設(shè)計控制信號。因為每次讀寫操作結(jié)束后，余下的2 bit數(shù)據(jù)在16位寄存器中的位置是不固定的。本文設(shè)置了一個與讀時鐘同步的7位計數(shù)器，在每次讀操作結(jié)束，計數(shù)器累加16，同時，設(shè)置了一個與讀時鐘同步的模33計數(shù)器，控制每33個讀時鐘周期只讀8次。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在PCS時鐘有效沿將輸入的66 bit數(shù)據(jù)通過異步FIFO與PMA時鐘域同步，并通過模33計數(shù)器控制PMA的讀操作，輸出寄存在66位的寄存器中，將其高16 bit寄存到16位的緩存器中。
該方法有效減少了存儲器的數(shù)量，由傳統(tǒng)方法的528個存儲器減少到了82個存儲器（66+16=82），降低了異步FIFO的復(fù)雜度，并且減少了整個電路的面積。使用Verilog HDL［4］語言描述，部分關(guān)鍵代碼如下：
always @ (*)
case(counter)
7′d0:tx _group= shift_reg2［15: 0］;
7′d2:tx _group={shift_reg1［1:0］,shift_reg2［15:2］};
7′d4:tx _group={shift_reg1［3:0］,shift_reg2［15: 4］};
7′d6:tx _group={shift_reg1［5:0］,shift_reg2［15: 6］};
7′d8:tx _group={shift_reg1［7: 0］,shift_reg2［15: 8］};
接收通道中，設(shè)置4個16位寄存器級聯(lián)，將每個寄存器的輸出與輸入拼接構(gòu)成66 bit數(shù)據(jù)。設(shè)計難點同樣在于如何設(shè)計控制信號。4個16 bit數(shù)據(jù)只能組成64 bit數(shù)據(jù)，需要拼接2 bit數(shù)據(jù)，而這2 bit數(shù)據(jù)的位置是不確定的，另外寫時鐘頻率比讀時鐘頻率快很多，直接利用異步FIFO將導(dǎo)致FIFO總是寫滿狀態(tài)。
本文設(shè)置了一個與寫時鐘同步的模33計數(shù)器，控制選擇正確的66 bit的拼接數(shù)據(jù)，同時控制每33個寫時鐘周期只寫8次數(shù)據(jù)，輸入到異步FIFO中，避免了由于寫時鐘頻率比讀時鐘頻率快很多而導(dǎo)致FIFO總是寫滿的情況。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。在PMA時鐘有效沿，計數(shù)器開始計數(shù)，生成的控制信號作為8選1 MUX的選擇信號，選擇正確的信號作為異步FIFO的寫信號。同時，模33計數(shù)器開始計數(shù)，控制寫使能信號的產(chǎn)生，控制異步FIFO的寫操作，輸出正確的66 bit信號。本文中的異步FIFO均采用傳統(tǒng)的異步FIFO設(shè)計結(jié)構(gòu)［5］，利用2級D觸發(fā)器級聯(lián)，并采用格雷碼完成寫地址與讀時鐘以及讀地址與寫時鐘的同步，避免電路出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，本設(shè)計有效地降低了電路的復(fù)雜度和整個電路的面積。部分關(guān)鍵代碼為：
圖5接收通道變速箱電路結(jié)構(gòu)圖always @ (*)
case(rx_fetch_cnt［4:2］)
3'd0: rx_pcs_66b={rx_pma_group［1:0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4};
3'd1: rx_pcs_66b={rx_pma_group［3 :0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4［15: 2］};
3'd2: rx_pcs_66b={rx_pma_group［5 :0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4［15: 4］};
3'd3: rx_pcs_66b={rx_pma_group［7 :0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4［15: 6］};
3'd4: rx_pcs_66b={rx_pma_group［9 :0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4［15: 8］};
3'd5: rx_pcs_66b={rx_pma_group［11:0］,rx_pma_group1,
rx_pma_group2,rx_pma_group3,rx_pma_group4［15:10］};
4功能仿真與邏輯綜合
本設(shè)計通過編寫測試向量采用ModelSim工具完成各個模塊的功能仿真，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6中，當(dāng)輸入信號為A_in時，對應(yīng)的輸出為A_out；當(dāng)輸入信號為B_in時，對應(yīng)的輸出為B_out。圖7中，當(dāng)輸入信號為A_in時，對應(yīng)的輸出為A_out；當(dāng)輸入信號為B_in時，對應(yīng)的輸出為B_out；當(dāng)輸入信號為C_in時，對應(yīng)的輸出為C_out。為了保證信號的穩(wěn)定性，人為地加入了一定的延遲。從仿真結(jié)果可以看出，輸入所對應(yīng)的輸出都是正確的，表明本設(shè)計實現(xiàn)了PCS層發(fā)送通道和接收通道的變速箱功能仿真。
另外，本設(shè)計采用Synopsys公司的Design Compiler［6］工具完成了邏輯綜合。綜合結(jié)果表明設(shè)計完全符合PCS變速箱的時序要求。發(fā)送和接收電路分別留有4.56 ns、3.92 ns的時鐘裕量，且面積小，分別使用了近1 000個邏輯門；在工作頻率方面，發(fā)送電路使用了286個D觸發(fā)器，最高寫時鐘頻率分別為232.56 MHz、927.35 MHz，最高讀時鐘頻率分別為961.54 MHz、211.42 MHz，使用了近1 300個邏輯門。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法［3］相比，面積縮小了近30%，工作速度提高了近50%。
5結(jié)論
本文在研究變速箱原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)其內(nèi)在的邏輯關(guān)系，將電路分成寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和異步FIFO兩部分，設(shè)計了PCS層發(fā)送通道和接收通道的變速箱。完成了功能仿真和邏輯綜合。綜合結(jié)果表明，該方法有效地解決了控制信號不易設(shè)計和亞穩(wěn)態(tài)的問題，縮小了面積，提高了工作速率。
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