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(zhǎng)期穩(wěn)定有效的信號(hào)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(hào)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(hào)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(shì)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(shì),。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(chǔ)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(tái)服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，這對(duì)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(chǔ)中的一部分,，對(duì)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(hào)到PCI-Express接口信號(hào)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(hào)一般可達(dá)4.25Gb/s,，處理如此高的數(shù)據(jù)對(duì)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2Gb/s以上,。其次，PCIE傳輸速率不小于6Gb/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(duì)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(chǔ)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(duì)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(hào)用來完成對(duì)ICS8442的編程，使其能夠產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘信號(hào),。

ICS8442的性能參數(shù)如下：

輸出信號(hào)頻率范圍為31.25～700MHz,；晶振頻率范圍為10～25MHz；VCO頻率范圍為250～700MHz,；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(hào),。

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250～700MHz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(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(duì)應(yīng)的取值如表1所示,。

對(duì)ICS8442時(shí)鐘芯片的操作主要是對(duì)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125MHz,，結(jié)合硬件電路的設(shè)計(jì),，硬件晶振的頻率為20MHz，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(cè)時(shí)鐘信號(hào)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100MHz,，因此在抓取125MHz的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，在圖上顯示的時(shí)鐘信號(hào)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(jí)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(jí)模型圖,。

考慮到上一級(jí)傳輸數(shù)據(jù)速率可能會(huì)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?？梢钥闯?，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(hào),、FIFO空、FIFO滿,、以及讀/寫時(shí)鐘,、使能和數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)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(hào),，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(hào),，根據(jù)此輸入信號(hào)確定FIFO的讀寫時(shí)序。

對(duì)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(hào)是復(fù)位信號(hào),，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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)的接收，只需在frame_check模塊中對(duì)接收的代碼加以修改,，增加自己所需要的內(nèi)容,，完成對(duì)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(jí)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(hào)，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(jí)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(hào),，該發(fā)送模塊設(shè)計(jì)完畢,。

3 測(cè)試分析

3.1 功能測(cè)試

在基本功能測(cè)試中，主要測(cè)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(duì)每個(gè)通道都要進(jìn)行讀/寫測(cè)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(cè)試傳輸功能。

3.2 性能測(cè)試

性能主要對(duì)其傳輸速度和傳輸誤碼率進(jìn)行測(cè)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),，F(xiàn)PGA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(cè)試取平均值,，就可得到傳輸瞬時(shí)速度。經(jīng)測(cè)試：PCI-Express接口的傳輸速度在600MB/s,，光纖傳輸在850MB/s,，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于誤碼率的測(cè)試,，主要使用誤碼分析軟件對(duì)其誤碼性能進(jìn)行測(cè)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4Kb，8Kb,，16Kb,，32Kb，測(cè)試數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為1000Kb,，1000000Kb,，100000000Kb時(shí),，錯(cuò)誤率都為0b，誤碼率滿足設(shè)計(jì)要求,。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)以Virtex-5為核心構(gòu)建的平臺(tái),，對(duì)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(duì)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(hào)傳輸?shù)母咚佟⒎€(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,。

作者：李強(qiáng) 刁節(jié)濤 聶洪山   來源：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院