F-Tile体系结构和PMA和FEC Direct PHY IP用户指南

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ID 683872
日期 1/24/2024
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1. F-Tile概述 2. F-Tile架构 3. 实现F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP 4. 实现F-Tile Reference and System PLL Clocks Intel® FPGA IP 5. F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计实现 6. 受支持的工具 7. 调试F-Tile收发器链路 8. F-Tile体系结构和PMA和FEC Direct PHY IP用户指南归档 9. F-Tile体系结构和PMA和FEC Direct PHY IP用户指南的文档修订历史 A. 附录
2. F-Tile架构 x
2.1. F-Tile构建模块 2.2. F-Tile布局规则 2.3. PMA架构 2.4. 时钟架构
2.1. F-Tile构建模块 x
2.1.1. FHT和FGT PMA 2.1.2. 400G硬核IP和200G硬核IP 2.1.3. PMA数据速率 2.1.4. FEC架构 2.1.5. PCIe* 硬核IP 2.1.6. 绑定架构(Bonding Architecture) 2.1.7. 去偏斜逻辑(Deskew Logic) 2.1.8. 嵌入式多晶片互连桥接(EMIB) 2.1.9. 用于Ethernet的IEEE 1588精确时间协议 2.1.10. 时钟网络 2.1.11. 重配置接口
2.2. F-Tile布局规则 x
2.2.1. PMA到分段映射(PMA-to-Fracture Mapping) 2.2.2. 确定哪个PMA映射到哪个分段(Fracture) 2.2.3. 硬核IP布局规则 2.2.4. IEEE 1588精确时间协议布局规则 2.2.5. 拓扑(Topologies) 2.2.6. FEC布局规则 2.2.7. 时钟规则和限制 2.2.8. 绑定布局规则 2.2.9. 保留未使用的PMA通道
2.2.1. PMA到分段映射(PMA-to-Fracture Mapping) x
2.2.1.1. FHT-PMA-to-400G-Hard-IP-Fracture映射 2.2.1.2. FGT-PMA-to-400G-Hard-IP-Fracture映射 2.2.1.3. FGT-PMA-to-200G-Hard-IP-Fracture映射
2.2.2. 确定哪个PMA映射到哪个分段(Fracture) x
2.2.2.1. 实现一个包含400G硬核IP和FHT的200GbE-4接口 2.2.2.2. 实现一个包含400G硬核IP和FHT的200GbE-2接口 2.2.2.3. 实现一个包含400G硬核IP和FHT的100GbE-1接口 2.2.2.4. 实现一个包含400G硬核IP和FGT的100GbE-4接口 2.2.2.5. 实现一个包含200G硬核IP和FGT的10GbE-1接口 2.2.2.6. 实现三个包含400G硬核IP和FHT的25GbE-1接口 2.2.2.7. 实现包含400G硬核IP和FHT的一个50GbE-1和两个25GbE-1接口 2.2.2.8. 实现包含400G硬核IP和FHT的一个100GbE-1和两个25GbE-1接口 2.2.2.9. 实现包含400G硬核IP和FHT的两个100GbE-1和一个25GbE-1接口 2.2.2.10. 实现包含400G硬核IP和FHT的100GbE-1、100GbE-2和50GbE-1接口
2.2.5. 拓扑(Topologies) x
2.2.5.1. Topology 5: 400G Hard IP (FHT) + 200G Hard IP (FGT) 示例 2.2.5.2. Topology 6a：混合收发器模式的400G Hard IP示例 2.2.5.3. Topology 14: 1x PCIe x4 + 400G Hard IP (FGT) with PTP 示例
2.2.8. 绑定布局规则 x
2.2.8.1. 绑定通道用例1 2.2.8.2. 绑定通道用例2
2.3. PMA架构 x
2.3.1. FHT PMA架构 2.3.2. FGT PMA架构
2.3.1. FHT PMA架构 x
2.3.1.1. FHT发送器PMA架构 2.3.1.2. FHT接收器PMA架构 2.3.1.3. FHT PMA环回模式
2.3.1.1. FHT发送器PMA架构 x
2.3.1.1.1. FHT发送器缓冲器和相位发生器 2.3.1.1.2. FHT串化器 2.3.1.1.3. FHT格雷编码器和预编码器 2.3.1.1.4. FHT数据码型生成器和验证器
2.3.1.2. FHT接收器PMA架构 x
2.3.1.2.1. FHT接收器缓冲器和均衡器 2.3.1.2.2. CDR模块 2.3.1.2.3. FHT解串器
2.3.2. FGT PMA架构 x
2.3.2.1. FGT发送器PMA架构 2.3.2.2. FGT接收器PMA架构 2.3.2.3. FGT PMA调节 2.3.2.4. FGT PMA环回模式
2.3.2.1. FGT发送器PMA架构 x
2.3.2.1.1. FGT发送器缓冲器和相位发生器 2.3.2.1.2. FGT串化器 2.3.2.1.3. FGT格雷编码器和预编码器 2.3.2.1.4. FGT数据码型生成器和验证器
2.3.2.2. FGT接收器PMA架构 x
2.3.2.2.1. FGT接收器缓冲器和均衡器 2.3.2.2.2. 控制单元 2.3.2.2.3. FGT解串器
2.4. 时钟架构 x
2.4.1. 参考时钟网络 2.4.2. 数据路径时钟网络 2.4.3. 系统PLL 2.4.4. 数据路径时钟节奏(Datapath Clock Cadences)
2.4.1. 参考时钟网络 x
2.4.1.1. FHT参考时钟网络 2.4.1.2. FGT和系统PLL参考时钟网络 2.4.1.3. FGT主PLL配置
2.4.1.2. FGT和系统PLL参考时钟网络 x
2.4.1.2.1. FGT参考时钟接收器模拟前端
3. 实现F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP x
3.1. F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP概述 3.2. 使用F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP进行设计 3.3. 配置IP 3.4. 信号和端口参考 3.5. PMA和FEC模式PHY TX和RX数据路径的比特映射 3.6. 时钟 3.7. 自定义节奏生成端口和逻辑(Custom Cadence Generation Ports and Logic) 3.8. 置位复位(Asserting Reset) 3.9. 绑定实现(Bonding Implementation) 3.10. 独立端口配置 3.11. 配置寄存器 3.12. 可配置的Intel Quartus Prime软件设置 3.13. 配置F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP用于硬件测试 3.14. 使用 Avalon® 存储器映射接口的硬件配置
3.1. F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP概述 x
3.1.1. PMA Direct支持的模式 3.1.2. FEC Direct支持的模式 3.1.3. 不支持的PMA/FEC模式
3.2. 使用F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP进行设计 x
3.2.1. 预置IP参数设置
3.3. 配置IP x
3.3.1. 常规和通用数据路径(General and Common Datapath)选项 3.3.2. TX数据路径选项 3.3.3. RX数据路径选项 3.3.4. RS-FEC (Reed Solomon Forward Error Correction)选项 3.3.5. Avalon® 存储器映射接口选项 3.3.6. 寄存器映射IP-XACT支持 3.3.7. 示例设计生成 3.3.8. 模拟参数选项
3.3.1. 常规和通用数据路径(General and Common Datapath)选项 x
3.3.1.1. SATA模式的FGT PMA配置规则
3.3.2. TX数据路径选项 x
3.3.2.1. TX PMA接口参数
3.3.3. RX数据路径选项 x
3.3.3.1. RX FGT PMA接口选项
3.4. 信号和端口参考 x
3.4.1. TX和RX并行和串行接口信号 3.4.2. TX和RX参考时钟和时钟输出接口信号 3.4.3. 复位信号 3.4.4. RS-FEC信号 3.4.5. 自定义节奏控制和状态信号 3.4.6. TX PMA控制信号 3.4.7. RX PMA状态信号 3.4.8. TX和RX PMA和内核接口FIFO信号 3.4.9. PMA Avalon® 存储器映射接口信号 3.4.10. PMA Avalon® 存储器映射接口信号
3.4.10. PMA Avalon® 存储器映射接口信号 x
3.4.10.1. 数据路径存储器映射的 Avalon® 接口数量和每个接口的附加地址比特
3.5. PMA和FEC模式PHY TX和RX数据路径的比特映射 x
3.5.1. 并行数据映射信息 3.5.2. 不同配置的TX和RX并行数据映射信息 3.5.3. PMA Width = 8, 10, 16, 20, 32 (X=1)的TX并行数据的示例 3.5.4. PMA Width = 64 (X=2)的TX并行数据的示例 3.5.5. FEC Direct模式的PMA Width = 64 (X=2)的TX并行数据的示例
3.5.2. 不同配置的TX和RX并行数据映射信息 x
3.5.2.1. 不同配置的SATA协议模式的TX并行数据映射信息
3.6. 时钟 x
3.6.1. 时钟端口 3.6.2. 推荐的tx/rx_coreclkin连接和tx/rx_clkout2源 3.6.3. tx/rx_coreclkin、tx/rx_clkout和tx/rx_clkout2的端口宽度和推荐的连接 3.6.4. FGT PMA小数模式 3.6.5. FGT RX CDR时钟输出
3.6.5. FGT RX CDR时钟输出 x
3.6.5.1. 动态配置FGT RX CDR时钟输出
3.7. 自定义节奏生成端口和逻辑(Custom Cadence Generation Ports and Logic) x
3.7.1. 使能tx_cadence_slow_clk_locked端口 3.7.2. 速率匹配FIFO
3.8. 置位复位(Asserting Reset) x
3.8.1. 复位信号要求 3.8.2. 上电复位要求 3.8.3. 复位信号—模块级 3.8.4. 复位信号—描述 3.8.5. 状态信号—描述 3.8.6. 运行时复位序列—TX 3.8.7. 运行时复位序列—RX 3.8.8. 运行时复位序列—TX + RX 3.8.9. 运行时复位序列—带FEC的TX
3.8.8. 运行时复位序列—TX + RX x
3.8.8.1. 运行时复位序列大概持续时间
3.11. 配置寄存器 x
3.11.1. PMA和FEC Direct PHY Soft CSR寄存器映射 3.11.2. FHT PMA寄存器映射 3.11.3. FGT PMA寄存器映射 3.11.4. FEC寄存器映射 3.11.5. 通道偏移地址(Lane Offset Address) 3.11.6. 访问配置寄存器
3.11.6. 访问配置寄存器 x
3.11.6.1. 访问PMA和FEC Direct PHY Soft CSR寄存器 3.11.6.2. 访问FHT PMA寄存器 3.11.6.3. 访问FGT PMA寄存器
3.12. 可配置的Intel Quartus Prime软件设置 x
3.12.1. FHT PMA设置 3.12.2. FGT PMA设置
3.13. 配置F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP用于硬件测试 x
3.13.1. 在F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP中使用Debug Endpoint接口 3.13.2. 使用JTAG to Avalon® Master Bridge Intel FPGA IP
3.13.1. 在F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP中使用Debug Endpoint接口 x
3.13.1.1. Debug Endpoint Avalon® 接口的RTL连接示例
3.13.2. 使用JTAG to Avalon® Master Bridge Intel FPGA IP x
3.13.2.1. JTAG to Avalon® Master Bridge Intel IP的RTL连接示例
3.14. 使用 Avalon® 存储器映射接口的硬件配置 x
3.14.1. FHT PMA 3.14.2. FGT PMA
3.14.1. FHT PMA x
3.14.1.1. 使能环回(Enabling Loopback) 3.14.1.2. 使能PRBS生成器和验证器 3.14.1.3. TX均衡器设置 3.14.1.4. TX错误注入(TX Error Injection) 3.14.1.5. RX重新收敛(RX Reconvergence) 3.14.1.6. 保留未使用的通道
3.14.2. FGT PMA x
3.14.2.1. 直接寄存器方法(Direct Register Method) 3.14.2.2. FGT属性访问方法(FGT Attribute Access Method)
3.14.2.1. 直接寄存器方法(Direct Register Method) x
3.14.2.1.1. 直接寄存器方法示例
3.14.2.2. FGT属性访问方法(FGT Attribute Access Method) x
3.14.2.2.1. FGT属性访问方法示例1 (FGT Attribute Access Method Example 1) 3.14.2.2.2. FGT属性访问方法示例2 (FGT Attribute Access Method Example 2) 3.14.2.2.3. FGT属性访问方法示例3 (FGT Attribute Access Method Example 3)
4. 实现F-Tile Reference and System PLL Clocks Intel® FPGA IP x
4.1. IP参数 4.2. IP端口列表 4.3. System PLL - System PLL的模式，参考时钟和输出频率 4.4. F-Tile Reference and System PLL Clocks Intel® FPGA IP使用的指导原则 4.5. Refclk #i is Active At and After Device Configuration功能的指导原则
4.5. Refclk #i is Active At and After Device Configuration功能的指导原则 x
4.5.1. 系统PLL参考时钟的指导原则 4.5.2. FGT参考时钟指南
5. F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计实现 x
5.1. 实现F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计 5.2. 例化F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP 5.3. 在F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP中实现一个RS-FEC Direct设计 5.4. 例化F-Tile Reference and System PLL Clocks Intel® FPGA IP 5.5. 使能自定义节奏生成端口和逻辑(Enabling Custom Cadence Generation Ports and Logic) 5.6. 连接F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计IP 5.7. 仿真F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计 5.8. F-Tile接口规划
5.2. 例化F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP x
5.2.1. 设置常规和通用数据路径选项(General and Common Datapath Options) 5.2.2. 设置TX数据路径选项 5.2.3. 设置RX数据路径选项
5.7. 仿真F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计 x
5.7.1. 仿真中的PAM4编码方案
5.8. F-Tile接口规划 x
5.8.1. F-Tile Interface Planner用法示例
6. 受支持的工具 x
6.1. F-Tile Channel Placement Tool (F-Tile通道布局工具) 6.2. F-Tile PMA and FEC Direct Port Mapping Calculator 6.3. F-Tile Clocking and Datapath Tool 6.4. F-Tile TX Equalizer Tool
7. 调试F-Tile收发器链路 x
7.1. F-Tile收发器工具套件GUI 7.2. F-Tile收发器调试流程演练 7.3. 收发器工具套件参数设置 7.4. 常见错误疑难解答 7.5. Transceiver Toolkit脚本
7.1. F-Tile收发器工具套件GUI x
7.1.1. Collection视图
7.2. F-Tile收发器调试流程演练 x
7.2.1. 修改设计以使能F-Tile收发器调试 7.2.2. 将设计编程到Intel FPGA中 7.2.3. 将设计加载到收发器工具套件中 7.2.4. 创建收发器链路 7.2.5. 运行BER测试 7.2.6. 运行Eye Viewer测试 7.2.7. 运行链路优化测试 7.2.8. 检查FEC统计数据 7.2.9. 垂直浴缸曲线测量(VBCM)数据
7.5. Transceiver Toolkit脚本 x
7.5.1. 受支持的收发器工具套件脚本 7.5.2. 修改脚本 7.5.3. 脚本执行 7.5.4. Tcl Console中的结果示例
A. 附录 x
A.1. F-Tile产品版本和固件OPN A.2. OSC_CLK_1 QSF Assignment要求
1. F-Tile概述
2. F-Tile架构
3. 实现F-Tile PMA/FEC Direct PHY Intel® FPGA IP
4. 实现F-Tile Reference and System PLL Clocks Intel® FPGA IP
5. F-Tile PMA/FEC Direct PHY设计实现
6. 受支持的工具
7. 调试F-Tile收发器链路
8. F-Tile体系结构和PMA和FEC Direct PHY IP用户指南归档
9. F-Tile体系结构和PMA和FEC Direct PHY IP用户指南的文档修订历史
A. 附录

2.1.2. 400G硬核IP和200G硬核IP

F-tile支持400G硬核IP和200G硬核IP。400G硬核IP可以与最多4个FHT PMA或者16个FGT PMA进行接口连接(一次一个)，200G硬核IP可以与最多8个FGT PMA (Quad0和Quad1)进行接口连接。

从Intel Quartus Prime Pro Edition软件版本23.1开始，F-tile支持混合收发器模式，在此模式中，400G硬核IP可以与最多4个FHT PMA和4个FGT PMA (Quad2)进行接口连接。

400G硬核IP和200G硬核IP可分成片段(fracture)。一个片段(fracture)的构建模块是一个数据流(stream)。

  • 数据流(stream)是将一个EMIB连接到一个PMA的数据路径的逻辑表示，因此一个数据流映射到一个EMIB并有最大32 Gbps 的数据。一个PMA最多可以连接四个数据流。
  • PMA宽度决定使用的数据流数量。宽度为32或少于32的每个PMA使用一个数据流。宽度为64的每个PMA使用两个数据流。宽度为128的每个PMA使用四个数据流。例如：
    • 10GbE需要一个数据流。
    • 在四个10 Gbps PMA上运行的40GbE需要四个数据流。
    • 53 Gbps PAM4要求64 PMA宽度，因此它需要两个数据流。
    • 100 Gbps PAM4要求128 PMA宽度，因此它需要四个数据流。
  • 请参阅下图"Hard IP分段(Fracture)和数据流(Stream)"。
    • 在400G硬核IP中，Stream0-Stream15分别映射到EMIB_23-EMIB_8。
    • 在200G硬核IP中，Stream0-Stream7分别映射到EMIB_7-EMIB_0。
一个或更多个数据流(stream)结合起来形成一个分段(fracture)。例如，16个数据流结合起来形成 st_x16 分段。一个分段可以包含MAC、PCS、FEC、这三者的结合或者完全绕过这三者。分段的命名约定为： 
<st as an abbreviation of stream>_x<number of streams in the fracture>_<index number>
例如， st_x2_2 分段结合了两个高达32 Gbps的数据流，用于索引号2。

400G硬核IP中的每个分段都包含MAC、PCS和FEC。 200G硬核IP中的每个分段都包含PCS和FEC。400G硬核IP是200G硬核IP的超集。如果您需要MAC或者需要200 Gbps以上的带宽，那么您需要使用400G硬核IP。请参阅PMA数据速率来了解受支持的数据速率。

表 3.  在400G硬核IP和200G硬核IP中支持的分段(supported fracture)
分段类型(Fracture Type) 400G Hard IP (MAC, PCS, and FEC) 200G Hard IP (PCS and FEC) 协议示例
分段的数量(n) 每个分段的数据流和EMIB的数量 分段的数量(n) 每个分段的数据流和EMIB的数量
st_x1 16 1 8 1

9.8 Gbps PMA Direct

10GbE-1 IEEE Ethernet

25GbE-1 IEEE Ethernet

16G Fibre Channel

32G Fibre Channel
st_x2 8 2 4 2

50GbE-1 and 50GbE-2 IEEE Ethernet

50GbE-1 and 50GbE-2 Ethernet Technology Consortium

64G Fibre Channel
st_x4 4 4 2 4

40GbE-4 IEEE Ethernet

100GbE-1, 100GbE-2, and 100GbE-4 IEEE Ethernet

100GbE-2 Ethernet Technology Consortium

100G Interlaken with RS-FEC

128G Fibre Channel
st_x8 2 8 1 8

200GbE-2, 200GbE-4, and 200GbE-8 IEEE Ethernet

200GbE-4 Ethernet Technology Consortium
st_x16 1 16 N/A N/A

400GbE-4 IEEE Ethernet

400GbE-8 Ethernet Technology Consortium

400G FlexO
表 4.  400G硬核IP和200G硬核IP支持的配置
配置

MAC

(400G hard IP only)

PCS

(no 8b/10b)

 FEC PMA 协议示例
400G硬核IP支持的配置
Full hard IP (with MAC) Yes Yes 可选 FHT or FGT Ethernet
400G硬核IP和200G硬核IP支持的配置
PCS Direct 未使用 Yes 可选

FHT or FGT for 400G Hard IP

FGT for 200G Hard IP

 Common Public Radio Interface (CPRI) 24G
FlexE 未使用 Yes (64b/66b编码器/解码器旁路) 可选

FHT or FGT for 400G Hard IP

FGT for 200G Hard IP

 FlexE
Open Transport Network (OTN) 未使用 Yes (64b/66b编码器/解码器和加扰器旁路) 可选

FHT or FGT for 400G Hard IP

FGT for 200G Hard IP

 OTN
FEC Direct 未使用 未使用 Yes

FHT or FGT for 400G Hard IP

FGT for 200G Hard IP

 Interlaken 300G-6, 32G Fibre Channel, 64G Fibre Channel
PMA Direct 未使用 未使用 未使用

FHT or FGT for 400G Hard IP

FGT for 200G Hard IP

 CPRI (低数据速率)，高清多媒体接口(HDMI)，串行数字接口(SDI)，JESD204B/C
图 2. 400G硬核IP分段(Fracture)和数据流(Stream)
图 3. 200G硬核IP分段(Fracture)和数据流(Stream)

400G硬核IP和200G硬核IP可以使用各种分段(fracture)组合。使用一个分段可以使其左右侧共享同一数据流的分段变得不可用。例如，对于400G硬核IP， st_x8_0 和 st_x16_0 分段共享8个数据流(Stream0-Stream7)， st_x2_0 和 st_x8_0 分段共享2个数据流(Stream0-Stream1)。

因此，在400G硬核IP中使用 st_x8_0 可以使以下分段变得不可用：

  • st_x16_0
  • st_x4_0
  • st_x4_1
  • st_x2_0 - st_x2_3
  • st_x1_0 - st_x1_7
图 4. 根据数据流划分的400G硬核IP可用的分段

在200G硬核IP中使用 st_x2_0 可以使以下分段变得不可用：

  • st_x8_0
  • st_x4_0
  • st_x1_1
  • st_x1_0
图 5. 根据数据流划分的200G硬核IP可用的分段
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