基于FPGA的高速串行傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：作為高傳輸速率和低設計成本的傳輸技術，串行傳輸技術被廣泛應用于高速通信領域，并已成為業(yè)

界首選。在此基于對高速串行傳輸系統(tǒng)的分析，對實例進行了總體設計驗證，最終達到高速傳輸?shù)哪康摹?br /> 關鍵詞：FPGA；PCI-Express；時鐘控制模塊；Aurora模塊

0 引言
   
隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)傳輸流量越來越大。尤其像雷達，氣象、航天等領域，不僅數(shù)

據(jù)運算率巨大，計算處理復雜，而且需要實時高速遠程傳輸，需要長期穩(wěn)定有效的信號加以支持，以便能

夠獲得更加精準的數(shù)據(jù)收發(fā)信息，更好的為工程項目服務。傳統(tǒng)的并行傳輸方式由于走線多、信號間串擾

大等缺陷，無法突破自身的速度瓶頸。而串行傳輸擁有更高的傳輸速率但只需要少量的信號線，降低了背

板開發(fā)成本和復雜度，滿足高頻率遠距離的數(shù)據(jù)通信需求，被廣泛應用到各種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計中。
   
目前，高速串行接口取代并行拓撲結構已經(jīng)是大勢所趨。當今很多公用互連標準(如USB，PCI-Express)都

是基于串行連接來實現(xiàn)高速傳輸?shù)摹Ｏ啾扔诓⑿锌偩€，串行連接的物理緊密度和鏈路韌性具有很多優(yōu)勢。

因此，很多傳輸領域都轉向了串行傳輸，如筆記本電腦顯示互連、高速背板互連和存儲器內部互連。該系

統(tǒng)涉及到的技術主要包括：光纖傳輸、PCIE(PCI-Express)傳輸和DDR緩存技術，以及這幾種技術在FPGA中

融合為一個完整的串行傳輸鏈路，并實現(xiàn)了在兩臺服務器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸測試，這對于實際工程應用

具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結構
   
高速串行傳輸系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲中的一部分，對傳輸性能指標有著嚴格的要求。該系統(tǒng)要完

成光信號到PCI-Express接口信號的相互轉換，并在轉換過程中完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。信號一般可達4．25

Gb／s，處理如此高的數(shù)據(jù)對硬件設計提出了很大的挑戰(zhàn)。其中所包含的硬件有：高速光電轉換電路，

FPGA數(shù)據(jù)處理電路、DDRⅡ數(shù)據(jù)緩存電路、時鐘管理電路、PCIE傳輸模塊電路、電源模塊電路、自定義擴

展接口電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

   
技術要求主要有以下幾點：首先，傳輸卡中的4個光纖通道，每通道要達到2 Gb／s以上。其次，PCIE傳輸

速率不小于6 Gb／s，支持DMA傳輸。再有，光纖和PCI-E傳輸誤碼率要小于1×10-10，連續(xù)傳輸相對穩(wěn)定

。
   
圖1中各個模塊的功能如下：Virtex5作為傳輸卡的核心，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)從光纖接口到PCIE接口的高速轉換

。光纖傳輸模塊的作用是將內部數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，通過光纜傳輸給接收系統(tǒng)，以及接收外來光數(shù)據(jù)，并將

光數(shù)據(jù)傳送給FPGA處理電路DDR緩存模塊的作用，就是將傳輸過程中的高速數(shù)據(jù)，進行緩存，以保持數(shù)據(jù)

的完整性。PCI-Express傳輸模塊的作用，就是與PC之間實現(xiàn)PCI-Express傳輸協(xié)議，與PC實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳

輸，同時與外部擴展接口，DDR緩存，光纖傳輸模塊實現(xiàn)內部并行數(shù)據(jù)的交換。QTE自定義接口模塊的作用

，就是進行外部功能擴展。比如，可以擴展高速數(shù)據(jù)采集板卡、存儲硬盤卡、圖像采集卡等。時鐘管理模

塊的作用，是給光纖傳輸模塊提供參考時鐘。時鐘頻率由FPGA的時鐘控制模塊控制。根據(jù)光模塊的性能，

給出指定的時鐘。PCI-Express的參考時鐘，是通過芯片從PC主板上提取的。電源管理模塊的作用，是給

整個系統(tǒng)提供各種不同的電壓。

2 系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)
   
為了實現(xiàn)所要求的系統(tǒng)配置，更好地發(fā)揮各模塊自身及相互之間的作用，必須對模塊間進行系統(tǒng)的協(xié)議分

析。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，既可以傳輸數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。它主要由電源管理模塊，時鐘管理

模塊，PCI-Express傳輸模塊，DDR緩存模塊，光纖傳輸模塊和外部擴展接口組成。其中，時鐘控制模塊和

Aurora發(fā)送模塊、Aurora接收模塊是整個設計的重點。

2．1 時鐘控制模塊
   
時鐘控制模塊主要用來控制FPGA外圍的時鐘芯片ICS8442來產(chǎn)生所需要的高信噪比、低抖動的差分時鐘。

其模塊電路如圖2所示：輸出其中的信號用來完成對ICS8442的編程，使其能夠產(chǎn)生所需要的時鐘信號。

   
ICS8442的性能參數(shù)如下：
輸出信號頻率范圍為31．25～700 MHz；晶振頻率范圍為10～25 MHz；VCO頻率范圍為250～700 MHz；
ICS8442是LVDS邏輯電平，具有極低的相位噪聲，這種特性使它非常適合用來為吉比特以太網(wǎng)或同步光纖

網(wǎng)提供時鐘信號。
ICS8442的內部結構圖3所示。ICS8442內部有一個完整的PLL鎖相環(huán)，其VCO的輸出頻率范圍在250～700

MHz之間，倍頻系數(shù)是由M決定的，M的取值范圍在10～28之間。VCO的輸出頻率為：

ICS8442最終的輸出結果還要經(jīng)過一個分頻器N，最終輸出結果的頻率和晶振輸入頻率的關系式為：

中：N是一個2位的寄存器，其對應的取值如表1所示。

對ICS8442時鐘芯片的操作主要是對寄存器M，N的寫操作。ICS8442支持并行寫操作和串行寫操作，根據(jù)硬

件電路的設計，程序采用串行的寫操作時序。當ICS8442的nP_LOAD置為高電平和S_LOAD置為低電平時，芯

片實現(xiàn)串行操作。操作時序如圖4所示。

當S_LOAD置為低且nP_LOAD置為高之后，數(shù)據(jù)在S_CLOCK的上升沿處寄存在緩沖器中，在S_LOAD的下降沿處

將數(shù)據(jù)鎖存到寄存器M，N中。
   
由于AURORA光纖通信的輸出時鐘頻率設定的是125 MHz，結合硬件電路的設計，硬件晶振的頻率為20 MHz

，因此選擇M值為000011001(25)，N的值為10(4)，故時鐘芯片的時鐘輸出頻率為：

   
時鐘控制模塊的實測時鐘信號如圖5所示。

圖5是用Chipscope在線邏輯分析儀得到的波形，由于Chipscope在線邏輯分析儀的觸發(fā)時鐘是100 MHz，因

此在抓取125 MHz的時鐘信號時，在圖上顯示的時鐘信號占空比不定，若將時鐘芯片產(chǎn)生的時鐘頻率降低

，則此現(xiàn)象消失。

2．2 AURORA發(fā)送模塊

在生成AURORA IP CORE時，同時生成了一個基于AURORA協(xié)議的例示程序。因此，要實現(xiàn)基于AURORA協(xié)議的

光纖通信，在發(fā)送端只需要在frame_gen_i模塊將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，然后通過AURORA模塊發(fā)送出去。因

此該模塊著重介紹如何將上一級傳送過來的數(shù)據(jù)進行打包壓縮，形成適合AURORA協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，通過

AURORA協(xié)議發(fā)送到接收端。圖6為frame_gen_i模塊的RTL級模型圖。

考慮到上一級傳輸數(shù)據(jù)速率可能會與AURORA傳輸?shù)臅r鐘頻率不同，因此在發(fā)送端建立一個FIFO來做緩沖器

。并且AURORA協(xié)議的發(fā)送時序圖如圖7所示?？梢钥闯?，TX_SOF_N為數(shù)據(jù)包幀的開始標志，TX_EOF_N為數(shù)

據(jù)包幀的結束．標志，TX_REM[0：r(n)]記錄最后的傳輸數(shù)據(jù)的線程，TX_SRC_RDY_N為低代表數(shù)據(jù)有效，

TX_DST_RDY_N為低代表準備好接受數(shù)據(jù)，TX_D[0：(8n-1)]是此模塊的輸出數(shù)據(jù)。以上信息是AURORA協(xié)議

的發(fā)送時序，在使用FIFO做緩沖時也應該遵循這樣的協(xié)議。

發(fā)送端的FIFO模塊分別包括FIFO的復位信號、FIFO空、FIFO滿、以及讀／寫時鐘、使能和數(shù)據(jù)信號線。因

此應該根據(jù)FIFO的標志位empty和full來產(chǎn)生AURORA的發(fā)送時序，參考模型如圖8所示：當RESET信號到來

之時，首先將S0置為高電平，將S1置為低電平，同時根據(jù)FULL和EM-PTY的狀態(tài)確定接下來的S0和S1的狀態(tài)

，進而根據(jù)以上邏輯關系得到TX_SOF_N，TX_EOF_N，TX_SRC_RDY_N等邏輯信號，并且根據(jù)數(shù)據(jù)X_DST_

RDY_N和TX_SRC_RDY_N生成FIFO的讀使能。由以上邏輯可以看出，只有在FULL為1，EMPTY為0時，F(xiàn)IFO的讀

使能才能被打開。TX_SOF_N為數(shù)據(jù)包的幀頭標志，TX_EOF_N為數(shù)據(jù)包的幀尾標志，TX_STC_RDY_N為低時代

表數(shù)據(jù)有效，TX_DST_RDY_N為輸入信號，根據(jù)此輸入信號確定FIFO的讀寫時序。

對FIFO時序操作需要根據(jù)上述電路圖所產(chǎn)生。在上述電路圖中，有一個D觸發(fā)器，其RESET信號是復位信號

，復位既是將觸發(fā)器輸出端口清零，即將S0置1，將S1置0。在之前的程序中誤將這里寫反，即RESET信號

到來之后，將S0置0，S1置1。這樣導致的結果是在最開始輸入的一段數(shù)據(jù)丟失，之后的結果輸出正常。經(jīng)

過仿真分析之后檢查出問題并已改正。

2．3 AURORA接收模塊

同樣在AURORA協(xié)議模塊中，要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收，只需在frame_check模塊中對接收的代碼加以修改，增

加自己所需要的內容，完成對數(shù)據(jù)的解碼提取，剔除冗余信息，并完成數(shù)據(jù)的緩存。

接收模塊frame_check的RTL級模型圖如圖9所示：其中，RX_D為接收端接收的緩存于FIFO的數(shù)據(jù)，REsET為

復位信號，RX_EOF_N為數(shù)據(jù)包幀尾的標志，RX_SOF_N為數(shù)據(jù)包幀頭的標志，TX_SRC_RDY_N為低時代表數(shù)據(jù)

有效，USER_CLK為系統(tǒng)時鐘。fifo_out為數(shù)據(jù)緩存的輸出，ERROR _COUNT為系統(tǒng)檢錯輸出結果。因此在接

收端接收模塊的時序圖如圖10所示。根據(jù)該時序圖可以確定接收時序，同樣，在AURORA協(xié)議末端，由于與

下一級系統(tǒng)的速率可能不匹配，因此需要在接收末端加上一個FIFO做緩存，同樣其電路圖如圖11所示：根

據(jù)RX_SRC_RDY_N生成FIFO的寫使能信號，該發(fā)送模塊設計完畢。

3 測試分析

3．1 功能測試

在基本功能測試中，主要測試光纖模塊傳輸是否正確。由于光纖模塊共有A，B，C，D四個通道，對每個通

道都要進行讀／寫測試。將通道A作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，通道B作為數(shù)據(jù)接收端，應用光纖將A，B兩端進行聯(lián)通

，然后將應用程序數(shù)據(jù)寫入A通道FIFO中，當FPGA接收到到數(shù)據(jù)后，將A通道數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)酵ǖ繠接

收緩存中，然后通道B將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，從而形成一個環(huán)路。比較發(fā)送和接受端的數(shù)據(jù)，可以驗證數(shù)

據(jù)傳輸?shù)恼_性。同理可以將此方法應用于四個通道中的任意兩個作為發(fā)送端和接收端，從而驗證并測試

傳輸功能。

3．2 性能測試

性能主要對其傳輸速度和傳輸誤碼率進行測試。就傳輸速度而言，主要由FPGA控制，在其內部設置了兩個

初始值為0的計數(shù)器，在PCI-Express開始傳輸數(shù)據(jù)時，FPGA開始計數(shù)讀／寫數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)，

然后每隔一段時間將計數(shù)值寫入兩個計數(shù)寄存器中，并將原有值替換，為了精確速率，可以縮短計數(shù)時間

，并多次測試取平均值，就可得到傳輸瞬時速度。經(jīng)測試：PCI-Express接口的傳輸速度在600MB／  s，

光纖傳輸在850 MB／s，滿足設計要求。對于誤碼率的測試，主要使用誤碼分析軟件對其誤碼性能進行測

量，設計由上位機和PCI-Express接口，光纖通道組成數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路，通過不同的指令和要求驗證傳輸正

確性，當數(shù)據(jù)包大小在4 Kb，8 Kb，16 Kb，32 Kb，測試數(shù)據(jù)長度分別為1 000 Kb，1 000 000 Kb，100

000 000 Kb時，錯誤率都為0 b，誤碼率滿足設計要求。

4 結語

該設計系統(tǒng)以Virtex-5為核心構建的平臺，對AURORA協(xié)議下串行傳輸系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)。通過對核心

問題的解決，將計算機與外部擴展很好的結合，達到信號傳輸?shù)母咚?、穩(wěn)定的目的。實驗證明，板卡設計

的整體思路和核心方法的解決是完備的，并使得板卡的傳輸速率和穩(wěn)定性的到了較大的提高。