基于FPGA的高速串行傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

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，氣象、航天等領(lǐng)域，不僅數(shù)據(jù)運算率巨大，計算處理復(fù)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(zhǔn)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?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(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(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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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?jǐn)?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。

圖2 模塊電路圖

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。

表1 N寄存器對應(yīng)的取值

圖3 ICS8442的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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，芯片實現(xiàn)串行操作。操作時序如圖4所示。