Intel Stratix10 H-tile 高速口的速率重配

Intel Stratix10 为 Intel 14nm 器件，它采用了新的 Hyperflex™ FPGA 架构，与前一代高端 FPGA 相比，时钟频率提高了 2 倍，功耗降低了高达 70%。单个芯片最多集成 144 个高速收发器，数据速率高达 57.8 Gbps PAM-4 和 28.9 Gbps NRZ。DDR4 内存带宽高达 287.5 Gbps，速率最高为 2666 Mbps。HBM2 内存带宽高达 512 Gbps。PCI Express 硬核和软核 IP 支持 (高达 Gen4 x16，每通道 16 GT/s) 。

Intel 超级通道互连 (Intel UPI or CXL) 硬核 IP 包含 20 个传输速度为 11.2 GT/s 的通道。Intel Stratix 10 SoC 具备最高 1.35 GHz 的 64 位四核 ARM Cortex-A53、arm 外设、和支持 30 Gbps 速率直接连接的 FPGA。

根据不同的应用需求和技术侧重点分为 6 个子系列，分别为 Stratix10 GX、Stratix10 SX、Stratix10 TX、Stratix10 MX、Stratix10 DX、和 Stratix10 NX。

Intel Stratix 10 FPGA 和 SoC 采用了异构 3D 系统级封装 (SiP) 集成技术，通过多 Die 互联技术 (Embedded Multi-die Interconnect Bridge，EMIB) 将 FPGA 的 Fabric 和高速口 Die 以及片内 DRAM HBM2 Die 互联，极大地方便了不同 Die 之间的组合。该器件如下图 (图1) 所示： 

Intel 高速口 Die 根据速率和功能又分为 L-tile、H-tile、E-tile 和 P-tile，具体不同 Tile 的特点，如下表 (表1) 所示：

表1 不同高速口 Tile 之间的特性

以 48 个高速口通道的 NF43 封装举例，其他封装结构类似。下图 (图2) 是 NF43 封装的 Stratix10，有 2 个高速收发器口 Tile，每个 Tile 包含 4 个 BANK，每个 bank 包含 6 个收发通道，即一个 Tile 有 24 个收发器通道。

通道 0、1、3、4 为 GXT，通道 2、5为 GX 通道，并且 GXT 通道可以当作 GX 通道使用。其中 GXT 通道最大速率为 28.3Gbps，GX 通道最大速率为 17.4Gbps。高速口通道通过 EMIB 与 FPGA 的 Core Fabric 相连。

每个高速口 BANK 包含 6 个高速口通道，有 2 个高性能 ATX PLL，2 个 fPLL，2 个 CMU PLL，2 个 Master CGB (clock generation block)，支持 X1，X6，X24 和 GXT 时钟网络。Stratix10 H-tile 时钟网络，如下图 (图3) 所示：

一般 12.5Gbps 速率以上用 ATX PLL，12.5Gbps 以下用 fpll，10Gbps 以下可以用 CMU PLL。PLL 支持的速率，如下图 (图4) 所示：

H-tile 的 Transceiver PHY 主要包括模拟前端 (Physical Medium Attachment) MA 和数字编码层 PCS。其中 TX PMA 主要由并转串和传输 Buffer 组成，RX PMA 主要由数据恢复单元 CDR、接收 Buffer 和串并转换模块组成。

Stratix 10 Transceiver PHY 支持四种类型的 PCS：

• Enhanced PCS
• Standard PCS
• PCI Express Gen3 PCS 
• PCS Direct

GX 通道 PCS ，如下图 (图5) 所示：

GXT 通道支持两种 PCS：Enhanced PCS 和 PCS Direct。GXT 通道，如下图 (图6) 所示：

不同的 PCS 类型支持的最大速率不一样，GX 通道最大速率可以达到 17.4Gpbs，如下表 (表2) 所示： 

表2 GX 通道 PCS 速率

GXT 通道在 H-tile 可以达到 28.3Gbps，如下表 (表3) 所示：

表3 GXT 通道速率

Stratix10 高速口支持在器件运行过程中，为满足一些需要更改高速口配置的应用，会对收发器通道和相关的 PLL 进行动态配置。它提供了基于 Avalon 协议的动态配置接口。用户侧可根据需求对高速口速率切换，信号完整性微调，enhanced 和 standard PCS 切换，PLL 切换等进行配置。H-tile 支持的动态配置的特性，具体如下表 (表4) 所示：

表4 H-tile 支持的动态配置

一个 PLL 最多由一个重配置接口，但是 native PHY IP 可以指定多个通道进行配置。每个通道能使用专用的单个重配置接口，也能共享一个重配置接口，对重配置接口必须符合 Avalon-MM 的读写操作规范。Avalon-MM 读写操作规范可参考具体 Avalon 协议。Avalon-mm 动态配置接口，如下图 (图7) 所示：

重配置接口有两级仲裁机制：

• 第一级主要为用户重配逻辑、嵌入式重配流光器和 Debug 接口之间的仲裁
• 第二级为 Presice 校准引擎和重配接口之间的校准

第一级嵌入式流光器有最高的优先级，Debug 接口最低，而第二级 Presice 有最高的优先级。

仲裁机制如下图 (图8) 所示：

Intel Stratix 10 L-Tile / H-Tile 收发器 Native PHY 和 PLL IP 核 (可选) 允许您将 IP 实例指定的参数保存为配置文件。配置文件存储了特定的 IP 实例的地址和数据值，配置文件是在 IP 生成期间生成的。它们位于 <IP实例名称>/reconfig/IP 实例的子文件夹。配置数据提供以下格式：

• SystemVerilog packages: <name>.sv
• C Header files: <name>.h
• Memory Initialization File (MIF): <name>.mif

选择性地在相同的 Native PHY IP 和 / 或 PLL IP core Parameter Editors 中，让多种配置或设置档来执行动态重配置。它支持 IP Parameter Editor 创建、存储和分析多种配置或设置档的参数设置。

例如：Profile 0 的配置文件被存储在 <filename_CFG0.sv>。Native PHY / PLL IP 内核的每个实例每次可以创建多达 8 种重配置设置档 (Profile 0 - Profile 7)。

选择性地使 Native PHY 和 / 或 PLL IP 内核中的嵌入式重配置流光器，进行自动化重配置操作。嵌入式重配置流光器是一个功能模块，它可以执行 Avalon-MM 传输来访问接收器中的通道 / PLL 配置寄存器。

使用嵌入式流光器时，Native PHY / PLL IP 内核将会嵌入 HDL 代码，用于 IP 文件中的重配置设置档存储以及重配置控制逻辑。对于 Native PHY / PLL IP，通过重配置接口控制相应的寄存器，嵌入式流光器的控制和状态信号将映射到相应的寄存器中。

动态重配置的流程主要是对 IP 的配置和寄存器读写操作，在写之前要遵循 read-modify-write 操作。它有三个配置模式：直接配置，IP 指导配置 (嵌入式配置流光器和 Profiles) 和特殊 cases 的配置。

实现动态重配置是用嵌入式流光器和 Profiles 进行配置，具体流程说明如下：

第一步：在 IP 配置中 Enable Dynamic Reconfiguration；
第二步：选择 IP 中所需的 IP 配置文件；
第三步：使能所需的动态重配功能和模式 (包括 Direct reconfiguration、IP guided reconfiguration、IP guided                        reconfiguration using multiple profiles、IP guided reconfiguration using the embedded streamer、                    Reconfiguration  for special cases) ；
第四步：通道置于数字复位；
第五步：如果重配置涉及到速率 / 协议 / PRBS 使能，将通道置于模拟复位；
第六步：如果使用了背景校准，通过设置偏移地址 0X542[0] 为 0x0 来禁用背景校准；
第七步：如果涉及到重配 PLL，通过设置 PLL 的 pre_reconfig bit 使 PLL 进入配置模式，对 PLL 进行动态配置，如                   果没有直接进入所选的通道配置模式；
第八步：所有配置完成后进行重新校准。

具体动态重配置流程图，如下图 (图9) 所示：

在重配过程中所用到的关键寄存器，如下图 (图10) 所示：

版本：Quartus Pro 21.1，Modelsim SE Start
工程功能：10G Baser 10.3125Gbps - 12.5Gbps 速率动态切换
具体功能模块图，如下图 (图11) 所示：

IP 配置如下图 (图12、图13、图14) 所示：

第一步：写 010 到地址 100 进行 prepare pll；
第二步：写 001 到地址 000 返回到 presice，等待 busy 信号拉低；
第三步：写 010 到 000 请求用户重配控制；
第四步：540 进行 read-modify-write 操作，轮询读地址 541 的最低为直到最低位为 1 重配完成，返回控制权到                        presice；
第五步：校准操作，同样执行 read-modify-write，等待校准完成返回控制全到 presice。控制到下一状态的信号为                    waitrequste 信号。

具体 PLL 动态重配模块状态流程图， 黄色的部分为重配，绿色的部分为校准，如下图 (图15) 所示：

第一步：重配流程和 PLL 类似，只是少了 prepare Pll 阶段；
第二步：等重配完成，先执行 PMA RX 校准，再执行 PMA TX 校准，执行校准是需要对 481 地址进行开启和关闭相应 busy 信号。

所有的写操作都严格按照 read-modify-write 进行，如下图 (图16) 所示：

通过仿真，我们看到 IP 配置的写操作全部按照 read-modify-write 流程，并且在配置完成之后 PLL 有失锁。在重新锁住的过程中，经过验证，当我们重配的速率与之前的速率有证书倍关系时，PLL 不会失锁。

PLL 重配仿真，如下图 (图17) 所示：

Native PHY 重配仿真，如下图 (图18) 所示：

重配后时钟速率变化，如下图 (图19) 所示：

通过上板进行对比，与仿真结果一致。PLL重配上板结果，如下图 (图20) 所示：

Native PHY 重配上板结果，如下图 (图21) 所示：

为了加深大家对 Stratix10 整体概念的理解，本文先介绍了 Intel Stratix10 系列不同高速口 Tile 的特性，用户可根据自身的需求选择不同的器件，保证更多的灵活性。之后重点介绍了 H-tile 的结构、时钟网络等，以及对 H-tile 的速率重配置做了功能仿真和上板验证。其他支持的重配置流程类似，工程师同样可根据自己的设计进行配置。欲了解更多技术细节和 Intel 相关方案，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。