基于cPCI總線的高速數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)
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摘要：介紹一種基于cPCI總線的點到點高速數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)，提出了用現(xiàn)場可編程大規(guī)模集成邏輯器件取代分立元件完成接口卡設(shè)計及力求達(dá)到更高的傳輸速率的思想，并實際設(shè)計實現(xiàn)了這種想法。著重介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件功能實現(xiàn)，給出了選用的主要芯片的型號。實驗證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。
關(guān)鍵字：cPCI總線，F(xiàn)PGA，數(shù)據(jù)傳輸，PCI9056
1．引言
高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是主機(jī)接口卡的設(shè)計與實現(xiàn)。傳統(tǒng)的做法是采用分立元件，由若干個模塊構(gòu)成。大多數(shù)的設(shè)計都類似于如下結(jié)構(gòu)[1]：接口的主要功能模塊包括光電信號轉(zhuǎn)換接口（O/E和E/O）、串行化和解串行化模塊(TX和RX)、數(shù)據(jù)緩存F I F O 、c PCI 控制器和可編程邏輯模塊(FPGA或CPLD)或DSP。各模塊中O/E和E/O 實現(xiàn)光纖通道串行光信號和串行電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。TX和RX 實現(xiàn)將串行電信號和并行電信號的相互轉(zhuǎn)換功能。F I F O 主要實現(xiàn)光纖通道和cPCI 之間信號的緩沖。cPCI 控制器實現(xiàn)FIFO 輸出的信號與32 位標(biāo)準(zhǔn)cPCI 信號的轉(zhuǎn)換。FPGA或CPLD 負(fù)責(zé)各模塊之間的時序協(xié)調(diào)和傳輸控制。分析以上方案可見，各模塊功能都是由分立芯片完成的。這樣各芯片間的互連勢必會影響傳輸速率，也將使PCB板的布局布線變得復(fù)雜，使傳輸延時增大，進(jìn)一步降低傳輸速率。而隨著FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù)的不斷發(fā)展，其容量、功能、可靠性以及響應(yīng)速度都在不斷的提高。用一片F(xiàn)PGA完全可以實現(xiàn)計算機(jī)與光纖通道之間的數(shù)據(jù)傳輸與處理。鑒于此，本論文的設(shè)計將用一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)串行信號與并行信號的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖以及時序協(xié)調(diào)和傳輸控制等以前用分立元件實現(xiàn)的功能。
2．系統(tǒng)原理及實現(xiàn)
本系統(tǒng)由兩臺PC機(jī)、兩塊接口卡及一根光纖組成。系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵是基于cPCI總線的接口卡。接口卡采用標(biāo)準(zhǔn)的3U板設(shè)計，由總線控制器芯片、可編程邏輯控制器、光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動器等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。
圖1 系統(tǒng)原理圖
本系統(tǒng)設(shè)計的目的是應(yīng)用于雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸，主要解決點對點的數(shù)據(jù)傳輸問題。為了高速、可靠的傳輸雷達(dá)信號，決定采用光纖作為傳輸媒介，充分利用光纖傳輸損耗小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高等優(yōu)點。其工作流程是這樣的：發(fā)送端PC機(jī)通過cPCI接口將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行驅(qū)動并實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖、并串轉(zhuǎn)換等所必需的信號處理過程后形成串行信號，串行電信號經(jīng)電光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成串行光信號送入光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成串行電信號送入FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行驅(qū)動并實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖等所必需的信號處理過程，然后通過cPCI接口進(jìn)入PC機(jī)進(jìn)行存儲以待分析處理。設(shè)計主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。
一、硬件設(shè)計部分
籠統(tǒng)來說，本設(shè)計主要是要完成主機(jī)接口的實現(xiàn)。主機(jī)接口是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要完成高速數(shù)據(jù)流的信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在主機(jī)上的存儲，同時減少CPU對存儲過程的干預(yù)。CompactPCI簡稱cPCI，是國際PICMG協(xié)會于1994年提出來的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。它的出現(xiàn)解決了多年來電信系統(tǒng)工程師與設(shè)備制造商面臨的棘手問題：將VME密集堅固的封裝和大型設(shè)備的極佳冷卻效果以及PC廉價的易采用具有最新處理能力的芯片結(jié)合在一起，既保證99.999%的高可靠度，又降低硬件和軟件的開發(fā)成本。因此希望通過cPCI總線利用DMA方式完成數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。由圖1知，接口的主要功能模塊包括電光（光電）信號轉(zhuǎn)換模塊、可編成邏輯模塊FPGA和cPCI總線接口模塊。接口各模塊中，O/E和E/O實現(xiàn)光信號與電信號的相互轉(zhuǎn)換。FPGA實現(xiàn)幾乎所有的信號處理工作，比如實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行、并行轉(zhuǎn)換與最終通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；實現(xiàn)FIFO功能進(jìn)行信號緩沖，在高速數(shù)據(jù)傳輸中緩存是很重要的，它協(xié)調(diào)了數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸速度，防止由于數(shù)據(jù)流速度的波動導(dǎo)致傳輸?shù)氖?；實現(xiàn)各模塊之間的時序協(xié)調(diào)和傳輸控制等。cPCI總線接口卡實現(xiàn)FPGA輸出的信號與32位標(biāo)準(zhǔn)cPCI信號的轉(zhuǎn)換，通過DMA方式實現(xiàn)cPCI總線到主機(jī)的數(shù)據(jù)存儲。主要的研究與設(shè)計重點在cPCI總線接口模塊、可編程邏輯模塊FPGA和光電轉(zhuǎn)換模塊。
（1）cPCI總線接口模塊
目前，cPCI總線接口的設(shè)計與PCI接口的設(shè)計一樣，一般采用兩種方案，即可編程邏輯器件和專用總線接口器件?？删幊踢壿嬈骷歉鶕?jù)PCI協(xié)議在FPGA或CPLD中實現(xiàn)PCI總線接口控制器，但是由于PCI協(xié)議的復(fù)雜性，使得開發(fā)難度大，周期長，而且很難在短期內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，這種方法比較適合于大批量生產(chǎn)的情況。對于一般的開發(fā)者來說，大都采用現(xiàn)成的PCI接口器件。這類專用接口器件具有較低的成本和通用性，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸，提供配置空間，具備用于猝發(fā)傳輸功能的片內(nèi)FIFO等，是一種省時省力的方案。這類專用芯片有很多，如PLX公司的PCI總線目標(biāo)接口器件PCI9052、PCI9054，PCI9056，AMCC公司的S5933等。由于cPCI總線的時鐘頻率是66MHz，數(shù)據(jù)寬度為32位，故本設(shè)計中選用PLX公司的專業(yè)總線接口芯片PCI9056作為總線接口控制器，它符合PCI2.2規(guī)范，是32位、66MHz的PCI總線主控I/O加速器，適用于通用的32位、66MHz的局部總線設(shè)計，局部總線猝發(fā)速度可達(dá)264MB/s，支持DMA通道，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)大，是一款性價比比較高的芯片。它的本地總線可為三種模式：M模式，C模式和J模式，可利用模式選擇引腳加以選擇。本設(shè)計選用C模式，即32位的地址/數(shù)據(jù)總線非復(fù)用。
（2）可編程邏輯模塊FPGA。
FPGA選用了altera公司Stratix GX系列的EP1SGX10CF672[2]。Stratix GX器件系列是Altera第二代基于收發(fā)器的FPGA系列，為需要高達(dá)3.125Gbps數(shù)據(jù)率的應(yīng)用提供了一條低風(fēng)險的實現(xiàn)方式。Stratix GX千兆位收發(fā)器功能塊是嵌入式收發(fā)器功能塊，它具有四個全雙工通道，使用時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR），傳輸速率高達(dá)3.125Gbps。每個通道具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)/傳送、串行/解串、解碼/編碼和同步處理等不同階段的專用電路。同可編程邏輯結(jié)構(gòu)的無縫接口確保了可靠的數(shù)據(jù)傳輸、最大數(shù)據(jù)吞吐量和簡化的時序分析。它兼容光纖通道、串行Rapid I/O等接口協(xié)議，集成8b/10b編解碼器。本次設(shè)計主要使用了其8b/10b編解碼模塊及光纖通道協(xié)議。另外，這款芯片內(nèi)部含有PLL，且其內(nèi)部FIFO緩沖區(qū)比較大。正是由于該系列芯片功能、容量以及響應(yīng)速度的大幅度提升，使得一片芯片完成多個分立芯片的功能成為可能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。
（3）光電轉(zhuǎn)換模塊
光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動器選用了Infineon公司的V23818-M305-L57。這款芯片數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.215GBd，兼容光纖通道協(xié)議，具有良好的EMI性能。由于該芯片差分輸出信號的電平是PECL或LVPECL的，而后面FPGA的高速串行收發(fā)器的差分接收信號電平是PCML的，兩種接口標(biāo)準(zhǔn)的共模電壓不同，所以要采用AC耦合電路來完成兩種電平的轉(zhuǎn)換。耦合電容的選擇既不能太大也不能太小。如果太大，將嚴(yán)重減緩信號的傳輸速度，且由于充放電時間過長，對快速變化信號的響應(yīng)將變得很壞；如果太小，將改變線路的阻抗特性，增大衰減。綜合考慮這兩種要求，耦合電容的容值在0.01µF比較適當(dāng)。外部DC偏置電路可以省去，因為Stratix GX器件的高速收發(fā)器輸入管腳內(nèi)置的有DC偏置電路，所以所需要的共模電壓會在器件內(nèi)部產(chǎn)生。
二、軟件設(shè)計部分
接口卡的軟件設(shè)計主要包括兩個部分，一個是FPGA控制程序的編寫，一個是板卡驅(qū)動程序的編寫。以下本文主要就接收端FPGA控制程序的編寫加以詳細(xì)論述。正如前面所述，F(xiàn)PGA主要完成時序協(xié)調(diào)和傳輸控制，以及數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換和緩存。整個系統(tǒng)的控制采用有限狀態(tài)機(jī)[3]。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：
圖2 接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及各個狀態(tài)下信號的處理完全依據(jù)PCI9056的Local端到PCI端的DMA傳輸時序圖。其時序圖如下圖所示：
轉(zhuǎn)換流程分為3個狀態(tài)：idle ，prel，dma_read。idle為空閑狀態(tài)，上電復(fù)位后首先進(jìn)入此狀態(tài)，在此期間總線無任何操作，只是不斷檢測ADS#信號，一旦檢測到這個信號有效，就進(jìn)入下一個狀態(tài)。prel是一過渡狀態(tài)。根據(jù)PCI9056的DMA傳輸時序圖可知，每次一個新的總線接入有效（即ADS#有效）后的第一個數(shù)據(jù)會持續(xù)兩個時鐘周期（其后的數(shù)據(jù)持續(xù)一個時鐘周期），其中，第一個時鐘周期并不采集數(shù)據(jù)，而只是使從設(shè)備準(zhǔn)備好信號（即READY#）有效，第二個時鐘周期才開始采集第一個數(shù)據(jù)。所以，此過渡狀態(tài)主要是使READY#信號在采集數(shù)據(jù)前一個周期有效。dma_read狀態(tài)期間執(zhí)行從局部總線到cPCI總線的DMA操作，在每次時鐘的上升沿采集數(shù)據(jù)，直到突發(fā)長度內(nèi)的最后一個數(shù)據(jù)，BLAST#信號有效，下一個時鐘周期，狀態(tài)機(jī)又回到空閑狀態(tài)，等待下一次傳輸?shù)拈_始。對數(shù)據(jù)的處理是按照數(shù)據(jù)的流向逐步完成的[4][5]。首先經(jīng)過OE轉(zhuǎn)換的串行數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA，經(jīng)由FPGA內(nèi)部的串行高速收發(fā)通道完成解碼及第一步的串并轉(zhuǎn)換，這時由1bit串行數(shù)據(jù)變?yōu)?bits并行數(shù)據(jù)；其次由于cPCI局部總線數(shù)據(jù)線寬度為32位，所以第二步的串并轉(zhuǎn)換要完成8bits數(shù)據(jù)到32bits數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。其過程是，用4個8bits的D觸發(fā)器來連續(xù)鎖存輸入的8bits的數(shù)據(jù)，再用一個32bits的D觸發(fā)器來同時鎖存4個8bits的數(shù)據(jù)以形成32bits寬的數(shù)據(jù)輸出；最后為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，完成數(shù)據(jù)速率的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)存入一32位寬異步FIFO。該異步FIFO的寫時鐘是從串行數(shù)據(jù)提取出的隨路時鐘，讀時鐘是與總線控制器PCI9056的局部時鐘同頻的由板上提供的外部66M時鐘。
3．總結(jié)
本文作者的創(chuàng)新點在于用一塊高性能FPGA取代了傳統(tǒng)上采用分立元件設(shè)計高速傳輸系統(tǒng)的方法，從而簡化了電路設(shè)計，減少了元器件間的互連，不但節(jié)省了板卡的面積，而且極大的提高了傳輸速率。該課題基于實驗室承擔(dān)的項目，主要用于雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)計指標(biāo)要求采樣點數(shù)為16384，脈沖重復(fù)頻率(PRF)6K以上?；诖酥笜?biāo)要求并行數(shù)據(jù)采樣時鐘頻率應(yīng)不低于50MHz，這樣傳輸速率理論上可以高達(dá)200MB/s以上。實驗證明該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計是成功的。該點到點高速光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不但適用于雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸，同時在高速數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
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2． sgx_handbook
3． 楊進(jìn)，魏軼偉，何寧，熊劍平，賈惠波，“基于光纖通道的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主機(jī)接口設(shè)計”，計算機(jī)工程與應(yīng)用，2002年第22期
4． GE ZHOU,YIMO ZHANG, WEI LIU, “Optical Fiber Interconnection for the Scalable Parallel Computing System”, PROCEEDINGS OF THE IEEE,VOL.88,NO.6,JUNE 2000
5．劉小俊，宋仲康，“基于VHDL語言的全雙工異步接收發(fā)送器電路設(shè)計”，《微計算機(jī)信息》（測控自動化），2005年第21卷第1期
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