基于FPGA的高速串行傳輸系統(tǒng)設(shè)計

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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，氣象、航天等領(lǐng)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(wù)。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(yīng)用到各種高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計中。

目前，高速串行接口取代并行拓撲結(jié)構(gòu)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)?。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中融合為一個完整的串行傳輸鏈路，并實現(xiàn)了在兩臺服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸測試，這對于實際工程應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

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(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4．25Gb／s，處理如此高的數(shù)據(jù)對硬件設(shè)計提出了很大的挑戰(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(shù)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(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(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(shè)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(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3所示。ICS8442內(nèi)部有一個完整的PLL鎖相環(huán)，其VCO的輸出頻率范圍在250～700MHz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：

其中：N是一個2位的寄存器，其對應(yīng)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(shè)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(shè)定的是125 MHz，結(jié)合硬件電路的設(shè)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。可以看出，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(jié)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(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(yīng)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(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，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(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(jié)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(shè)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(yīng)用光纖將A，B兩端進行聯(lián)通，然后將應(yīng)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(yīng)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(nèi)部設(shè)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，F(xiàn)PGA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(shè)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(shè)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，100000 000 Kb時，錯誤率都為0 b，誤碼率滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

該設(shè)計系統(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)進行了設(shè)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(jié)合，達到信號傳輸?shù)母咚?、穩(wěn)定的目的。實驗證明，板卡設(shè)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。

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