基于FPGA的高速串行傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：作為高傳輸速率和低設(shè)計(jì)成本的傳輸技術(shù)，串行傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高速通信領(lǐng)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(shí)例進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證，最終達(dá)到高速傳輸?shù)哪康摹?br /> 關(guān)鍵詞：FPGA；PCI-Express；時(shí)鐘控制模塊；Aurora模塊

0 引言
    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(dá)，氣象、航天等領(lǐng)域，不僅數(shù)據(jù)運(yùn)算率巨大，計(jì)算處理復(fù)雜，而且需要實(shí)時(shí)高速遠(yuǎn)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(zhǔn)的數(shù)據(jù)收發(fā)信息，更好的為工程項(xiàng)目服務(wù)。傳統(tǒng)的并行傳輸方式由于走線多、信號間串?dāng)_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(fù)雜度，滿足高頻率遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信需求，被廣泛應(yīng)用到各種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
    目前，高速串行接口取代并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)是大勢所趨。當(dāng)今很多公用互連標(biāo)準(zhǔn)(如USB，PCI-Express)都是基于串行連接來實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)?。相比于并行總線，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(lǐng)域都轉(zhuǎn)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(nèi)部互連。該系統(tǒng)涉及到的技術(shù)主要包括：光纖傳輸、PCIE(PCI-Express)傳輸和DDR緩存技術(shù)，以及這幾種技術(shù)在FPGA中融合為一個(gè)完整的串行傳輸鏈路，并實(shí)現(xiàn)了在兩臺服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸測試，這對于實(shí)際工程應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    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(biāo)有著嚴(yán)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(zhuǎn)換，并在轉(zhuǎn)換過程中完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。信號一般可達(dá)4．25 Gb／s，處理如此高的數(shù)據(jù)對硬件設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。其中所包含的硬件有：高速光電轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理電路、DDRⅡ數(shù)據(jù)緩存電路、時(shí)鐘管理電路、PCIE傳輸模塊電路、電源模塊電路、自定義擴(kuò)展接口電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    技術(shù)要求主要有以下幾點(diǎn)：首先，傳輸卡中的4個(gè)光纖通道，每通道要達(dá)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(gè)模塊的功能如下：Virtex5作為傳輸卡的核心，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從光纖接口到PCIE接口的高速轉(zhuǎn)換。光纖傳輸模塊的作用是將內(nèi)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(jìn)行緩存，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。PCI-Express傳輸模塊的作用，就是與PC之間實(shí)現(xiàn)PCI-Express傳輸協(xié)議，與PC實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)與外部擴(kuò)展接口，DDR緩存，光纖傳輸模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)部并行數(shù)據(jù)的交換。QTE自定義接口模塊的作用，就是進(jìn)行外部功能擴(kuò)展。比如，可以擴(kuò)展高速數(shù)據(jù)采集板卡、存儲硬盤卡、圖像采集卡等。時(shí)鐘管理模塊的作用，是給光纖傳輸模塊提供參考時(shí)鐘。時(shí)鐘頻率由FPGA的時(shí)鐘控制模塊控制。根據(jù)光模塊的性能，給出指定的時(shí)鐘。PCI-Express的參考時(shí)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(gè)系統(tǒng)提供各種不同的電壓。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    為了實(shí)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(jìn)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(shí)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(kuò)展接口組成。其中，時(shí)鐘控制模塊和Aurora發(fā)送模塊、Aurora接收模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
2．1 時(shí)鐘控制模塊
    時(shí)鐘控制模塊主要用來控制FPGA外圍的時(shí)鐘芯片ICS8442來產(chǎn)生所需要的高信噪比、低抖動(dòng)的差分時(shí)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(shí)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(shí)鐘信號。
    ICS8442的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3所示。ICS8442內(nèi)部有一個(gè)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(jié)果還要經(jīng)過一個(gè)分頻器N，最終輸出結(jié)果的頻率和晶振輸入頻率的關(guān)系式為：
   
    中：N是一個(gè)2位的寄存器，其對應(yīng)的取值如表1所示。

    對ICS8442時(shí)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(shè)計(jì)，程序采用串行的寫操作時(shí)序。當(dāng)ICS8442的nP_LOAD置為高電平和S_LOAD置為低電平時(shí)，芯片實(shí)現(xiàn)串行操作。操作時(shí)序如圖4所示。

    當(dāng)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(shí)鐘頻率設(shè)定的是125 MHz，結(jié)合硬件電路的設(shè)計(jì)，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(shí)鐘芯片的時(shí)鐘輸出頻率為：
   
    時(shí)鐘控制模塊的實(shí)測時(shí)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(shí)鐘是100 MHz，因此在抓取125 MHz的時(shí)鐘信號時(shí)，在圖上顯示的時(shí)鐘信號占空比不定，若將時(shí)鐘芯片產(chǎn)生的時(shí)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(shí)，同時(shí)生成了一個(gè)基于AURORA協(xié)議的例示程序。因此，要實(shí)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(jìn)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(shí)鐘頻率不同，因此在發(fā)送端建立一個(gè)FIFO來做緩沖器。并且AURORA協(xié)議的發(fā)送時(shí)序圖如圖7所示。可以看出，TX_SOF_N為數(shù)據(jù)包幀的開始標(biāo)志，TX_EOF_N為數(shù)據(jù)包幀的結(jié)束．標(biāo)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(zhǔn)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(shí)序，在使用FIFO做緩沖時(shí)也應(yīng)該遵循這樣的協(xié)議。

    發(fā)送端的FIFO模塊分別包括FIFO的復(fù)位信號、FIFO空、FIFO滿、以及讀／寫時(shí)鐘、使能和數(shù)據(jù)信號線。因此應(yīng)該根據(jù)FIFO的標(biāo)志位empty和full來產(chǎn)生AURORA的發(fā)送時(shí)序，參考模型如圖8所示：當(dāng)RESET信號到來之時(shí)，首先將S0置為高電平，將S1置為低電平，同時(shí)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(jìn)而根據(jù)以上邏輯關(guān)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(shí)，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(biāo)志，TX_EOF_N為數(shù)據(jù)包的幀尾標(biāo)志，TX_STC_RDY_N為低時(shí)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(shí)序。

    對FIFO時(shí)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(gè)D觸發(fā)器，其RESET信號是復(fù)位信號，復(fù)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(dǎo)致的結(jié)果是在最開始輸入的一段數(shù)據(jù)丟失，之后的結(jié)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(shí)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(nèi)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(fù)位信號，RX_EOF_N為數(shù)據(jù)包幀尾的標(biāo)志，RX_SOF_N為數(shù)據(jù)包幀頭的標(biāo)志，TX_SRC_RDY_N為低時(shí)代表數(shù)據(jù)有效，USER_CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘。fifo_out為數(shù)據(jù)緩存的輸出，ERROR _COUNT為系統(tǒng)檢錯(cuò)輸出結(jié)果。因此在接收端接收模塊的時(shí)序圖如圖10所示。根據(jù)該時(shí)序圖可以確定接收時(shí)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(gè)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(shè)計(jì)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(gè)通道，對每個(gè)通道都要進(jìn)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(yīng)用光纖將A，B兩端進(jìn)行聯(lián)通，然后將應(yīng)用程序數(shù)據(jù)寫入A通道FIFO中，當(dāng)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(jī)，從而形成一個(gè)環(huán)路。比較發(fā)送和接受端的數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。同理可以將此方法應(yīng)用于四個(gè)通道中的任意兩個(gè)作為發(fā)送端和接收端，從而驗(yàn)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(jìn)行測試。就傳輸速度而言，主要由FPGA控制，在其內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)初始值為0的計(jì)數(shù)器，在PCI-Express開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，FPGA開始計(jì)數(shù)讀／寫數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，然后每隔一段時(shí)間將計(jì)數(shù)值寫入兩個(gè)計(jì)數(shù)寄存器中，并將原有值替換，為了精確速率，可以縮短計(jì)數(shù)時(shí)間，并多次測試取平均值，就可得到傳輸瞬時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)行測量，設(shè)計(jì)由上位機(jī)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(yàn)證傳輸正確性，當(dāng)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(shí)，錯(cuò)誤率都為0 b，誤碼率滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語
    該設(shè)計(jì)系統(tǒng)以Virtex-5為核心構(gòu)建的平臺，對AURORA協(xié)議下串行傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過對核心問題的解決，將計(jì)算機(jī)與外部擴(kuò)展很好的結(jié)合，達(dá)到信號傳輸?shù)母咚?、穩(wěn)定的目的。實(shí)驗(yàn)證明，板卡設(shè)計(jì)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。