基于FPGA的高速串行交換模塊實現方法研究

　　摘 要： 采用Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA設計了一個用于多種高速串行協議的數據交換模塊，并解決了該模塊實現中的關鍵問題。該交換模塊實現4X模式RapidIO協議與4X模式PCI Express協議之間的數據交換，以及自定義光纖協議與4X模式PCI Express協議之間的數據交換，實現了單字讀寫以及DMA操作，并提供高速穩定的傳輸帶寬。

　　隨著FPGA應用范圍的不斷擴大以及對速度需求的不斷提升，集成高速串行模塊的FPGA已經應用于市場。以Xilinx的Virtex5系列為代表的集成GTPRocketIO模塊的FPGA受到廣泛關注。以XC5LX50T為例，這款FPGA集成了一個PCIE的Endpoint以及12個可以支持6 Gb/s以上的高速串行接口模塊，支持串行RapidIO、fiber channel以及其他多種串行協議。

　　高速串行接口是系統互聯的核心，業內使用較多的是應用于嵌入式系統互聯的串行RapidIO協議、應用于PCI系統互聯的PCI Express協議以及存儲中廣泛使用的Fibre光纖協議。在數據采集存儲應用中，多種接口的應用使得存儲系統越來越復雜，然而針對某些特定的以磁盤為存儲媒介的系統，PCI Express協議仍然占據優勢。標準的數據采集存儲系統結構圖如圖1。

　　由圖1可知，Fibre采集卡控制磁盤陣列的文件系統，PCIE轉存卡接收數據采集設備的數據。2塊板卡插在服務器提供的PCIE插槽上，通過PCIE協議交換數據。Fibre采集卡是成熟的硬件設備，而針對不同的數據采集設備只需要提供不同接口的PCIE轉存卡。因此針對于應用最廣泛的RapidIO和光纖接口協議，實現PCIExpress到RapidIO以及光纖協議的數據交換就非常有意義。

　　本文以光纖存儲為背景，用Xilinx公司的XC5LX50T實現4X模式串行RapidIO到4XPCIE的數據交換以及2X模式的光纖接口到4X模式的PCIE的數據交換。本文給出了整個交換模塊的原理框圖并解決了RocketIO模塊設計上的關鍵問題。

　　1 XC5LX50T及RockerIO模塊的主要特點

　　XC5LX50T是Xilinx穩定可靠的第五代FPGA Virtex-5中最有代表性的一款芯片，其內部集成一個可以用于Endpoint的PCIE硬核，該硬核可以支持1X模式、4X模式以及8X模式，并且遵循PCI Express Base Specification1.1協議，每一路的數據率為2.5 Gb/s，總的最大理論帶寬為2 Gb/s(8 B編碼后的帶寬)。

　　XC5LX50T提供了12個用于高速串行的RocketIO收發器，不同于前幾代的產品，XC5LX50T的收發器可以支持6 Gb/s以上的數據率而且設計更為簡單，工作更加穩定，其低功耗特性更加理想。RocketIO模塊可以支持串行RapidIO、xaui、fibre channel等標準協議。由于性能穩定、傳輸帶寬高等特點，串行RapidIO已經成為嵌入式系統中最理想的互聯協議之一，尤其在軍事以及國防這些對于高速互聯需求日益迫切的領域中，串行RapidIO逐漸成為最為主流的數據交換協議。

　　光纖由于其帶寬高、傳輸穩定以及接口簡單等特點，被廣泛應用于很多領域，例如光線存儲、系統互聯。XC5LX50T的RocketIO提供自定義的光纖協議，最高支持3.125 Gb/s。

　　有些領域中存在著將RapidIO協議的數據上傳至有標準PCIE接口的服務器中進行處理的應用，也存在著將光纖接口的數據通過有PCIE標準協議的服務器存儲到fibre channel協議的磁盤陣列中的應用。因此本文所設計的交換模塊在嵌入式系統的應用中是十分必要的。