基于FPGA的高速串行傳輸系統的設計與實現

摘要：作為高傳輸速率和低設計成本的傳輸技術，串行傳輸技術被廣泛應用于高速通信領域，并已成為業界首選。在此基于對高速串行傳輸系統的分析，對實例進行了總體設計驗證，最終達到高速傳輸的目的。
關鍵詞：FPGA；PCI-Express；時鐘控制模塊；Aurora模塊

0 引言
隨著網絡技術的不斷發展，數據交換、數據傳輸流量越來越大。尤其像雷達，氣象、航天等領域，不僅數據運算率巨大，計算處理復雜，而且需要實時高速遠程傳輸，需要長期穩定有效的信號加以支持，以便能夠獲得更加精準的數據收發信息，更好的為工程項目服務。傳統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，降低了背板開發成本和復雜度，滿足高頻率遠距離的數據通信需求，被廣泛應用到各種高速數據通信系統設計中。
目前，高速串行接口取代并行拓撲結構已經是大勢所趨。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高速傳輸的。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勢。因此，很多傳輸領域都轉向了串行傳輸，如筆記本電腦顯示互連、高速背板互連和存儲器內部互連。該系統涉及到的技術主要包括：光纖傳輸、PCIE(PCI-Express)傳輸和DDR緩存技術，以及這幾種技術在FPGA中融合為一個完整的串行傳輸鏈路，并實現了在兩臺服務器之間的高速數據傳輸測試，這對于實際工程應用具有重要的現實意義。

1 系統結構
高速串行傳輸系統作為數據采集、傳輸、存儲中的一部分，對傳輸性能指標有著嚴格的要求。該系統要完成光信號到PCI-Express接口信號的相互轉換，并在轉換過程中完成數據的高速傳輸。信號一般可達4．25 Gb／s，處理如此高的數據對硬件設計提出了很大的挑戰。其中所包含的硬件有：高速光電轉換電路，FPGA數據處理電路、DDRⅡ數據緩存電路、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。系統框圖如圖1所示。

技術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，連續傳輸相對穩定。
圖1中各個模塊的功能如下：Virtex5作為傳輸卡的核心，用來實現數據從光纖接口到PCIE接口的高速轉換。光纖傳輸模塊的作用是將內部數據經過編碼后，通過光纜傳輸給接收系統，以及接收外來光數據，并將光數據傳送給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據，進行緩存，以保持數據的完整性。PCI-Express傳輸模塊的作用，就是與PC之間實現PCI-Express傳輸協議，與PC實現串行數據傳輸，同時與外部擴展接口，DDR緩存，光纖傳輸模塊實現內部并行數據的交換。QTE自定義接口模塊的作用，就是進行外部功能擴展。比如，可以擴展高速數據采集板卡、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，是給整個系統提供各種不同的電壓。

2 系統模塊設計與實現
為了實現所要求的系統配置，更好地發揮各模塊自身及相互之間的作用，必須對模塊間進行系統的協議分析。該系統的數據傳輸是雙向的，既可以傳輸數據，也可以接收數據。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發送模塊、Aurora接收模塊是整個設計的重點。
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，使其能夠產生所需要的時鐘信號。