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，計算處理復(fù)雜,，而且需要實(shí)時高速遠(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)4．25Gb／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(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(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(diǎn)。

　　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(dāng)ICS8442的nP_LOAD置為高電平和S_LOAD置為低電平時,，芯片實(shí)現(xiàn)串行操作。操作時序如圖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(shí)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(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(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(fù)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(biāo)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(dāng)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(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,，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(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(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)用于四個通道中的任意兩個作為發(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(jìn)行測量,，設(shè)計由上位機(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,，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(jìn)行了設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。通過對核心問題的解決,，將計算機(jī)與外部擴(kuò)展很好的結(jié)合,，達(dá)到信號傳輸?shù)母咚佟⒎€(wěn)定的目的,。實(shí)驗(yàn)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,。