SFP xSPI Bridge

SFP-xSPI Bridge

Mostek OCTOSPI / QUADSPI / SPI ↔ SFP na FPGA Gowin GW1N-9

Moduł łączący dwa mikrokontrolery STM32 łączem światłowodowym punkt–punkt, bez stosu IP. Host zapisuje i odczytuje ramki przez OCTOSPI, QUADSPI lub zwykłe SPI; FPGA koduje je w 8b/10b i wysyła przez moduł SFP z prędkością 100 Mbaud, a po drugiej stronie odzyskuje zegar programowo (soft-CDR z nadpróbkowaniem). Tryb przezroczysty UART pozwala użyć pary mostków jako „przedłużacza” portu szeregowego, bez żadnego sterownika.

Status: projekt FPGA ukończony i zweryfikowany w symulacji (testy modułów i testy end-to-end dwóch kompletnych mostków), biblioteka C dla STM32 gotowa i przetestowana na modelu mostka, schemat i PCB rev. A zweryfikowane (raport), pliki produkcyjne wygenerowane — przed zamówieniem prototypu. Uruchomienie sprzętowe według planu.

STM32 ══ xSPI ══ GW1N-9 ══ LVDS ══ SFP ~~~ światłowód ~~~ SFP ══ LVDS ══ GW1N-9 ══ xSPI ══ STM32

Płytka

Góra (TOP)	Dół (BOTTOM)

Płytka 4-warstwowa (JLC04161H-7628): pary LVDS na warstwie zewnętrznej nad ciągłą masą, płaszczyzna 3,3 V na warstwie wewnętrznej. Na płytce: klatka SFP, złącze hosta 2 × 10 (raster 1,27 mm), złącze programowania Tag-Connect TC2050 i zworka wyboru trybu. Zasilanie wyłącznie 3,3 V z hosta.

Wygenerowane PDF-y: schemat · PCB · interaktywny BOM.

Najważniejsze cechy

• Łącze 100 Mbaud 8b/10b przez standardowy moduł SFP bez wewnętrznego CDR (100BASE-FX / OC-3 lub 1000BASE-X, MM / SM, duplex lub BiDi).
• Programowy odzysk zegara — 4× nadpróbkowanie serializerami IDES8 (400 Msps), śledzenie fazy z histerezą, tolerancja odchyłki częstotliwości do ok. ±3900 ppm; oba końce na niezależnych generatorach, bez bufora elastycznego.
• Ramki z CRC-32 (1–1024 B treści, pole TYPE do multipleksowania strumieni), kontrola przepływu XON/XOFF i gotowość odbiornika w sekwencji bezczynności — dane nie giną przy wolnym odbiorcy.
• Interfejs hosta wzorowany na SPI NOR — instrukcja i adres na 1 linii, dane na 1, 4 lub 8 liniach, SDR, tryb 0, SCLK do 40 MHz; współpracuje z OCTOSPI / XSPI / QUADSPI w trybie pośrednim i ze zwykłym SPI.
• Spójne rejestry — zatrzask przy opadnięciu CS, zapis stosowany po podniesieniu CS; FIFO TX 4 KiB i RX 8 KiB, przerwanie HOST_IRQ_N.
• Tryb przezroczysty UART — zworka lub rejestr; 8N1, 115 200 bit/s domyślnie, do ok. 3 Mbit/s, opcjonalnie RTS/CTS.
• Zarządzanie modułem SFP — I2C master w FPGA: pamięć A0h / A2h, automatyczny odczyt diagnostyki DDM, sygnały TX_DISABLE / TX_FAULT / LOS / MOD_ABS.
• Diagnostyka łącza — liczniki błędów kodu, CRC, długości, ramkowania, przepełnień i utrat synchronizacji; pętla zwrotna wewnątrz FPGA i echo ramek.
• Biblioteka C dla STM32 konfigurowana przez #define, z portami HAL dla OCTOSPI, XSPI, QUADSPI i SPI.

Specyfikacja

Architektura

             xSPI (SCLK ≤ 40 MHz)                                       LVDS 100 Mbaud
  STM32 ════════════════════════╗                                   ╔════════════════ SFP
                                ▼                                   │
          xspi_slave ─▶ csr_regs ─┬─▶ FIFO TX ─▶ framer + CRC ─▶ 8b/10b ─▶ OSER8 ─▶ TLVDS_OBUF ─▶ TD±
                                  │
                                  ├─◀ FIFO RX ◀─ deframer + CRC ◀─ 8b/10b ◀─ comma align ◀─ soft-CDR ◀─ IDES8 ◀─ RD±
                                  │
                                  ├─▶ I2C master + DDM ─▶ SFP SCL / SDA
                                  └─▶ sygnały SFP, LED, HOST_IRQ_N

  tryb UART:  UART_RX ─▶ pakietyzacja (ramki TYPE 0x01) ─▶ FIFO TX      FIFO RX ─▶ UART_TX
  zegary:     CLK_25M ─▶ rPLL 200 MHz (serializery) ─▶ CLKDIV /4 ─▶ clk_sys 50 MHz (logika)

Decyzje projektowe z uzasadnieniem: rejestr ADR. Pełna koncepcja (piny, zegary, warstwa fizyczna, PCB, moduły, komendy, rejestry, uruchomienie): doc/sfp-xspi-bridge-plan.md.

Arkusze schematu

Dokumentacja

Dokumentacja jako serwis MkDocs (mkdocs 1.6, mkdocs-material 9.x):

python -m mkdocs serve        # podgląd: http://127.0.0.1:8000

Szybki start

FPGA — Gowin EDA (projekt vhdl/sfp_bridge/sfp_bridge.gprj, VHDL-2008):

cd vhdl/sfp_bridge
gw_sh build.tcl               # synteza, PnR i bitstream

Bitstream: vhdl/sfp_bridge/impl/pnr/sfp_bridge.fs, programowanie przez JTAG (Gowin Programmer lub openFPGALoader).

Symulacja — GHDL 5 (VHDL-2008), na Windows w WSL; modele prymitywów z instalacji Gowin EDA:

$env:GOWIN_SIMLIB = "<Gowin EDA>\IDE\simlib\gw1n"   # PowerShell
cd vhdl\sim
.\run_tests.ps1               # wszystkie testbenche; .\view.ps1 <tb> — przebieg w GTKWave

Firmware — biblioteka w firmware/sfp_bridge/: skopiować config/sfpb_config_template.h jako sfpb_config.h, ustawić transport i uchwyt peryferium, wywołać sfpb_init(&dev, NULL). Testy na PC: make -C firmware/tests.

Bez hosta — dwa mostki ze zwartą zworką MODE_SEL i dwa konwertery USB-UART (115 200 8N1) tworzą przezroczysty kanał szeregowy przez światłowód.

Weryfikacja

Roadmap

• Koncepcja — architektura, dobór FPGA i modułów SFP, protokół łącza, interfejs hosta
• Schemat i PCB rev. A w KiCad 10
• FPGA — wszystkie moduły, integracja, ograniczenia czasowe, testy end-to-end
• Biblioteka C dla STM32 z testami na modelu mostka
• Weryfikacja płytki i pliki produkcyjne rev. A
• Zamówienie i montaż prototypu
• Uruchomienie — konfiguracja FPGA, tryb UART przez światłowód, xSPI, I2C / DDM
• Pomiary — wykres oczkowy RD±, BER ≥ 10¹² bitów, różne moduły i tłumiki optyczne
• Rozszerzenia — 125 Mbaud, kolejna rewizja PCB z uwagami z uruchomienia

Struktura repozytorium

.
├── doc/          # dokumentacja (MkDocs): koncepcja, datasheet, ADR, opisy modułów, testy end-to-end
├── firmware/     # biblioteka C dla STM32 (sfp_bridge), przykład, testy na PC
├── media/        # rendery 3D płytki
├── pcb/          # projekt KiCad 10 (schemat hierarchiczny, PCB, reguły DRC, biblioteka lokalna, jobsety)
├── prod/         # pliki produkcyjne: Gerbery (.zip), PDF schematu i PCB, interaktywny BOM
└── vhdl/         # projekt FPGA (Gowin EDA): źródła, ograniczenia, testbenche i skrypty symulacji

Pliki produkcyjne generują jobsety KiCad: gen_prod.kicad_jobset (PDF, BOM), gen_gerber.kicad_jobset (Gerbery, wiercenia), gen_media.kicad_jobset (rendery 3D).

Referencje

• Gowin Semiconductor: DS100 (GW1N series), UG114 (GW1N-9 pinout), UG286 (zegary), UG289 (programowalne I/O), UG290 (programowanie i konfiguracja), UG284 (schematy), SUG935 (ograniczenia fizyczne)
• SFF Committee: INF-8074i (SFP MSA), SFF-8472 (diagnostyka modułów SFP)
• IEEE 802.3, klauzula 36 (kod 8b/10b, 1000BASE-X PCS)
• AMD/Xilinx XAPP224, XAPP523 — odzysk danych z nadpróbkowania
• STMicroelectronics: dokumentacja peryferiów OCTOSPI / XSPI / QUADSPI i sterowników HAL STM32Cube

Licencja

MIT © 2026 bartkepl