從較高的層面來看，十億位元級收發器（Gigabit transceiver；GT）以極高的速率在不同的晶片間傳輸數據的I/O高速通道，讓資料透過GT以極高速度在晶片之間傳遞。適當的GT不僅可消除傳輸瓶頸，而且還可促使系統加速，因此通訊和即時處理領域是選擇合適的GT需要的重要設計考量因素之一。許多應用都希望採用GT的優勢，但特定市場上可能會存在眾多標準、協定或使用模式。有時針對某一種應用就會涉及到好幾種標準，進而迫使設計人員必須自行決定最佳標準以滿足系統所需。因此，為了選擇最適合的十億位元級收發器（GT），我們必須對各種協定的最新發展情況瞭若指掌。

選擇適合實體層通訊協定模板

從無線通訊一直到消費性電子，都發展出不同的業界通訊協定標準，現今許多通訊協定的發展基礎，都採用開放系統互連模式，其中網路裝置與軟體之間的互通機制，被分配給不同的元件層來負責。在FPGA領域中，像是Xilinx LogiCORE與AllianceCORE這類元件庫形態的智財IP，通常採用較高層級的序列連接協定，像是PCI Express、以及包括1000BASE-X這類的低階實體層通訊協定。

選擇適合的實體層通訊協定模板，並不像選擇較高層通訊協定那樣簡單。在許多產業中，整合與設計的重複使用性通常都會面臨諸多複雜問題。若能瞭解高階通訊協定及其與低階通訊協定規範的關係、並充分留意不同行業對實體層定義的情況，將有助於您選擇高速序列收發器架構精靈通訊協定模板，進而達成設計目標。

我們先來回顧一下這些相關協定，然後再為設計方案選擇適合協定的最佳方法。

OSI連接協定模板

開放系統互連（Open System Interconnection；OSI）是一種全球通訊的ISO標準。OSI定義一個框架，將通訊協定分成七層。控制權會依序傳遞到下個元件層，從一個站點的應用層，往底層依序遞交，透過通路傳到下一個站點後，再往頂層依序向頂層傳遞。

從最高層到最底層，OSI階層包括應用層、展示層、會談層、傳輸層、網路層、資料鏈結層、以及實體層。

ISO網路通訊7層協定大要

應用層的通訊協定，直接向最終使用者提供服務，將適合的資訊服務傳給某一項應用與其管理單元，並將控制權轉交至系統管理單元。OSI模型中第二高的元件層，就是展示層，該層提供一組服務，應用層可選擇其中適合的服務，針對交換的資料進行轉譯。這些服務可用來管理結構化資料的整個交換、顯示、以及控制的流程。

會談層協助各展示層單元之間進行互動，傳輸層則提供一個通用的傳輸服務，配合較底層所提供的基礎服務。網路層則提供功能與程序方面的作業功能，讓兩個傳輸單位，能透過網路連線來交換網路服務資料單元。

最後，資料鏈結層提供功能與程序方法，用來建立、維護、以及釋出連結兩個網路單位的資料鏈路，而實體層則提供機械、電子、功能、以及程序等資源，用來建立、維護、以及釋出資料鏈結單位之間的實體通道。

3個實體層子層

現今許多熱門的序列通訊協定都在模仿OSI的分層模組，並運用類似的詞彙，例如將從實體層到應用層的各層從低到高的順序劃分為7個等級。在本文中，凡提及序列通訊協定時，所謂的「較高層」皆指的是2至4層（也即高於實體層的各層）。一般人很容易將實體層的用途和矽晶片產生混淆。實體層是一個技術規格層，本身包含多個子層。設計者可以在單一或多個元件中建置設計業者經常稱之為電子規範的實體層。子層的用途主要由市場以及通訊協定來決定。在熱門的序列通訊協定PCI Express方面，實體層包含PCS與PMA兩個子層。

實體層子層

實體層（第一層）包括二到三個子層，分別為物理編碼子層（PCS）、實體媒介連接（PMA）子層和可選擇性的實體媒介相關子層（PMD）。

凡涉及實體層時，「較高層」皆PCS層，「較低層」皆指PMA和PMD層。圖一以模塊圖顯示了各層之間的關係。封包或資料在傳輸時，以正向順序傳送：從媒體存取控制（MAC）層到PCS、PMA、以及PMD，在接收時則按相反順序。FPGA設計廠商一般將實體層的子層建置在高速序列收發器，並依照通訊協定而定。

《圖一　Virtex-5 RX實體層子層PCS、PMA、以及PMD的模塊示意圖》

設計人員也可把實體層、也就是研發業者所指的電氣規範，建置在單一或多個元件中。使用何種實體層子層，通常會根據市場與通訊協定來決定。

實體層編碼子層（PCS）

實體編碼子層連接於較高的第二層，即資料連結（或MAC）層。它通常採用8b/10b編碼／解碼、comma碼對齊、通道捆合及時脈校正等技術。

較高層的通訊協定規範可能會把PCS定義為實體層的一部分，或參照業界標準的PCS。例如，第二代Serial RapidIO規範定義了PCS，亦有研發業者應用CEI-6G-SR/LR規範稱為PMA。PCS既可運用在高速序列接收器，亦可運用在FPGA中，或者運用在二者的組合體中。

實體層媒介子層（PMA）

實體媒介連結子層通常被稱作「電子規範」。PMA建置了通訊協定的適當訊號完整性和其他的一些典型特性，像是連接可配置端的電流型邏輯（CML）驅動器／緩衝器、電壓擺動與耦合；支援最佳訊號完整性的可編程設計傳輸預加強和接收端等化；以及依據設備和不同類型的收發器隨機取樣而決定的線路傳輸速率。

PMA操作附加的功能還包括用於最小化確定性資料路徑延遲的固定延遲模式、支援OOB信號發送（專為滿足PCI Express和Serial ATA協定的要求所設計）、以及用於簡化錯誤率檢查的內建虛擬隨機位元流的產生／檢查邏輯機制。

實體媒介相關子層（PMD）

最後，實體媒介相關子層是實體層規格中的一項選用元件，通常搭配乙太網路協定來使用。PMD負責傳送與接收透過實體媒介所傳遞的位元數據，其工作包括位元時序調整、訊號編碼、以及實體媒介與纜線或線路之間的互動。

例如，在使用1000BASE-X PCS/PMA LogiCORE的過程中，十億位元乙太網MAC連接於LogiCORE，而LogiCORE轉而連接到1000BASE-X PMD光纖收發器。Xilinx Trimode Ethernet MAC（TEMAC）LogiCORE可建構出PCS和PMA功能，其中PMA功能可在高速序列收發器中建置。在PCS層中，高速序列收發器建置了編碼與解碼功能，而FPGA邏輯則負責自動協商機制。PMD子層含有一個收發器，可處理透過實體媒介傳送的數據。

實體層使用上的迷思

通訊協定中的實體層，通常會運用PCS、PMA、以及PMD等子層。如圖二的範例所示，採用Xilinx TEMAC（10M/100M/1G）LogiCORE，建置在一個區域網路應用中，其中的1-Gbit乙太網路MAC，通訊的對象包括1000BASE-X PCS/PMA，以及一個雷射光學收發器1000BASE-X PMD。實體層建置在FPGA及可選用的光纖收發模組之中。

由於實體層容易令人產生混淆，因此最好詳讀規範資料，瞭解各子層所執行的功能，以及這些功能建置在矽元件的哪個部分（FPGA邏輯主體、高速序列收發器、或是FPGA以外）。在大多數的情況下，PMA被認為是PMD的一部分。

《圖二　在一個乙太網路通訊應用中的PHY PCS、PMA和PMD層的範例》

當然，還有很多諸如PCI的通訊協定，並非是序列式（即單端或差動訊號I/O），或不使用高速序列收發器。在某些情況下，可以運用序列器／解序列器（serdes）來建置序列實體層。

硬式或嵌入式IP的考量因素

FPGA業者通常會在FPGA中直接整合PCI Express和十億位元乙太網等常用的協定，此「硬式」版本可建置協定的部分或全部功能。在上述這兩種情況中，LogiCORE封裝作為LogiCORE產品的一部分建置MAC和實體層（PCS和PMA）。封裝包含硬式模組並與高速序列收發器相連接。就TEMAC而言，硬式IP建置MAC和部分PCS以及PCI Express LogiCORE的交易處理和資料連結層。我們可用高速序列收發器精靈來查看並修改GTP/GTX設置。

通訊協定清單精靈

表一至表三分別列出了高速序列收發器精靈所支援的序列協定。表一列出的清單中，包含各種較高層通訊協定，其規格包括PCS與PMA。表二列出各種較高層通訊協定規格，這些規格定義業界標準PCS與／或PMA規格的使用方法。表三列出各種實體層規格，以及經常搭配使用的較高層通訊協定。

《表一　PCS/PMA較高層通訊協定規範的定義》

《表二　較高層通訊協定在規範PCS與PMA使用方面的規範》

《表三　較低層通訊協定，定義了PCS（或部分的PCS），以及電氣PMA（或部分的PMA）》

運用GT架構精靈開發客製化實體層

為了盡力協助設計人員運用GT架構精靈來開發客製化的實體層，我們先詳細介紹最上層序列通訊協定的實體層，以及相對應的精靈通訊協定模板。最常用的通訊協定，包括10G乙太網 MAC—XAUI、CPRI v4.0、3G與6G OBSAI RP3-01、第一與第二代PCI Express、Serial RapidIO、HD-SDI、以及Xilinx TEMAC（10M/100M/1G Ethernet）。

圖三顯示的是包含通訊協定模板下拉式功能表的Virtex-6 GTX精靈GUI。而表四中列出的是Virtex-6 GTX和Spartan-6 GTP精靈LogiCORE所支援的通訊協定模板。

《圖三　Virtex-6 GTP Wizard向使用者詳細介紹高速I/O的設定流程》

根據客戶要求，Xilinx改良LogiCORE和GT精靈之間的使用模式。許多Xilinx序列LogiCORE（包括針對Serial RapidIO、XAUI和Aurora的LogiCORE）現在都直接採用精靈的輸出資訊。客戶可選擇Serial RapidIO等通訊協定模板並對其加以客製化修改。LogiCORE設計團隊無需系統I/O專家即可通過修改序列器/解序列器來建構客製化的通訊協定。

10G乙太網路XAUI

10Gigabit乙太網路標準是一項IEEE規格，定義的額定速度是Gigabit乙太網路的10倍。實體層方面包括一個介面，讓MAC連結實體層、PCS、PMA、以及PMD。FPGA設計廠商的10Gbit媒介相關介面，可連結至一個光學模組，或是10G乙太網路延伸連結單元介面，也就是XAUI。PMA與PMD可能是一個外部元件，像是光學收發器的範例，或者是XAUI的一部分，像是晶片對晶片或是背板應用。

Virtex-6 LXT、SXT、以及FXT FPGA並不支援在單鏈路的10G資料傳輸率下，連結至單鏈路光纖PMD。XAUI的四鏈路架構，連結至光學實體層模組，該模組能傳送/接收10GE封包，僅須利用一條光纖線即可連結至目的地。

研發業者可在網路和電信等不同領域建置各種應用，通常的做法是透過背板而使用XAUI連接至各板，或者將XAUI連接至10Gbit光學模組。由於72針腳的XGMII不適用於電路板接頭或是板卡的對外連結介面，因此在很多較高層協定中XAUI也可用作晶片間的MAC/實體層介面。

研發業者可運用Xilinx XAUI LogiCORE來建置DTE XGXS (10-Gbit擴充器子層，實體層XGXS運用十億位元級收發器與FPGA邏輯的10G BASE-X PCS。XAUI介面被視為一個PCS子層，能一邊連結10G乙太網路實體層，另一邊連結MAC。FPGA不能建置10G乙太網路實體層，此層可能是光纖或銅導線組成。

Xilinx為其10GE XAUI LogiCORE客製化了GT精靈10GE XAUI模板。對於客製化應用或 AllianceCORE方面，詳細資訊請參考IP 文件。研發業者可運用GT精靈，針對XAUI PCS的百億位元收發器定義各項電氣屬性。

通用封包無線電介面 4.0版

設計人員可使用通用封包無線電介面（Common Packet Radio Interface；CPRI），連接無線電設備控制器或基地台、以及一個或多個無線電設備單元。規格涵蓋OSI堆疊的第一層與第二層，實體層（第一層）定義了傳統基地台的電子介面，以及與遠端無線電設備連結基地台所使用的光學介面。Xilinx CPRI LogiCORE在GT中建置實體層，並在FPGA的邏輯單元中建置了資料鏈結（第二層）。

CPRI定義線路的位元傳輸率包括614.4Mbps（E6）、1228.8Mbps（E12）、以及2457.6 Mbps（E24）。它針對E6與E12規範了高電壓與低電壓的衍生版本，而E24則只有一個低電壓的規範。高電壓的版本採用IEEE 802.3-2002第39條款（1000BASE-CX），而低電壓版本則採用IEEE 802.3ae-2002第47條款（XAUI）。CPRI也可以採用低電壓XAUI規範，也就是LVXAUI。

設計人員可以使用GT精靈來定義GT的電子屬性，包括Xilinx CPRI v4.0 LogiCORE的標準規格CPRI v4.0，LogiCORE採用一種修改板本的100BASE-CS，以及XAUI。要瀏覽或修改Xilinx CPRI v4.0 LogiCORE，可使用選單中的「CPRI v4.0」項目。

3G與6G OBSAI RP3-01

開放基地台架構創始聯盟（OBSAI）的RP3-01手機基地台通訊協定，分成較低層的實體層，以及較高層的應用、傳輸、以及資料鏈結層。應用層可連結基頻或射頻介面卡，而資料鏈結層則連結至實體層。FPGA設計廠商運用FPGA中的收發器來建置實體層，處理電子部分的作業，並連結至外部的光纖收發器模組。

在OBSAI方面，8b/10b編碼與字元對齊模塊，以及同步化和相位對齊緩衝區，均嵌入在收發器模塊，且不需要使用FPGA的邏輯資源。

OBSAI RP3-01電子參數相容於XAUI電子規格（前述之IEEE 802.3ae-2002第47條款），速度最高達3.072Gbps，並相容於Common Electrical IO（CEI）G6，支援短距（CEI-6G-SR）與遠距（CEI-6G-LR）6.25Gbps標準。GT精靈針對Xilinx 3G OBSAI RP3-01與6G OBSAI RP30-01 LogiCORE提供通訊協定模板，使用一個修改後的CEI-6G, XAUI/SRIO來建置。選單中的項目包括3G OBSAI RP3-01與6G OBSAI RP3-01。

第一代與第二代PCE Express

PCI Express通訊協定定義了三個功能層︰實體層、資料鏈結層、以及傳輸層。由於PCI Express極受歡迎，因此較新的序列通訊協定會選擇維持電氣相容性，或採類似的設計，讓ASSP與其他實體層元件的廠商能重複使用經過徹底測試的IP。Xilinx將第一代與第二代PCI Express通訊協定，建置在一個整合式硬式IP模塊（PCI Express LogiCORE的Endpoint Block Plus Wrapper），並透過Xilinx與AllianceCORE夥伴開發軟體IP。

設計人員可使用GT精靈，針對客製化設計來產生各項設定值，再以人工整合至硬式IP模塊的原始碼包裝器。精靈含有兩個通訊協定模板，能支援PCI Express實體層:包括第一代與第二代的PCI Express。

Serial RapidIO

Serial RapidIO和PCI Express一樣也定義三個子層，包含實體層、邏輯層、以及傳輸層。這個產業的特性就是儘可能使用現有的技術規範，因為它和通訊協定的用途有直接關連。因此Serial RapidIO的實體層採用了XAUI電子介面，作為參考指南，針對AC電氣規範制定自己的參數。由於RapidIO與XAUI的應用目標相類似，因此序列器Serial RapidIO的研發業者能重複使用現有的XAUI電子設計。GT精靈可透過Serial RapidIO的模板來支援Serial RapidIO的實體層。

三重速率SDI 影片

三重速率SDI影片參考設計方案，採用電影電視工程師協會（SMPTE）標準。FPGA廠商的整合式參考設計方案，支援多種標準與高解析度版本的規格，包括SD-SDI、HD-SDI、Dual Link HD-SDI和3G-SDI等。

高速序列收發器的實體連結，採用差動式CML，驅動外部用於傳輸的纜線驅動器或是外部適應性接收等化器。不同標準之間的通用序列協定，規範得相當明確，並設計在FPGA的架構中。這個通訊協定佔用很可觀的資源，且需要相當大型的AC耦合電容進行大量的1和0運算。

廣播設備是透過三重速率SDI標準，運用75歐姆的同軸電纜來相互連結。GT精靈支援SD/HD/SG-SDI參考設計方案，採用HD-SDI通訊協定，以及同名的模板。三模式參考設計方案採用動態重設埠，重新設定十億位元及收發器，以支援SD與3G三模式方案。在這些模式中，SD-SDI與3G-SDI採用GT內的鎖相迴路來重整資料，速度可達2.97 Gbits/s。

三模式乙太網路

三模式乙太網路MAC是FPGA廠商運用10/100/1G乙太網路通訊協定的一種標準，可針對整合三模式乙太網路模塊（硬式IP）提供TEMAC 軟式IP。在軟式IP方面，1000BASE-X PCS/PMA或SGMII可以緊密地連結。SGMII是一種序列連結標準，支援10/100/1G傳輸速度。

TEMAC和GTX之間的連線速度始終為1Gbit/s，但介面的採樣頻率在低速情況下較低。精靈中的PCS與PMA設定中，SGMII選項是不同的，且提供單獨的通訊協定模板。

使用銅質纜線的應用（1000BASE-T），並不像1000BASE-X（X代表光學）PMD元件一樣，在FPGA與1000BASE-T實體層之間有邏輯分隔的規劃。在1000BASE-T元件中，PCS，也就是實體層元件，通常會運用在PMA與PMD 實體層子層。研發業者可在FPGA中建置MAC，並透過一個GMII介面來建置GT，MAC不會建置任何實體層。因此，在1000BASE-T方面，並沒有相關的GT精靈通訊協定模板。

TEMAC封裝即是將硬式TEMAC子模塊和GT I/O模塊包在一起，通常採用的HDL封裝（1000BASE-X/SGMII已經整合於硬式TEMAC）。

GT引導精靈支援採用GigE（SGMII/1000Base-X）模板的三模式乙太網通訊協定。

結語

總結來說，業界標準通訊協定不斷演進，每年都會出現一或兩種的新協定。因此，詞彙和底層的技術，會變得像稅法一樣令人混淆。當設計人員越瞭解某種通訊協定實體層機制的細節，就越容易判斷應採用哪種高速序列趨勢精靈的通訊協定模板，作為展開設計專案的起點。

（本文作者為美商賽靈思Xilinx產品部資深經理）