基于FPGA實現(xiàn)的高速串行交換模塊實現(xiàn)方法研究

由圖1可知，F(xiàn)ibre采集卡控制磁盤陣列的文件系統(tǒng)，PCIE轉(zhuǎn)存卡接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。2塊板卡插在服務(wù)器提供的PCIE插槽上，通過PCIE協(xié)議交換數(shù)據(jù)。Fibre采集卡是成熟的硬件設(shè)備，而針對不同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備只需要提供不同接口的PCIE轉(zhuǎn)存卡。因此針對于應(yīng)用最廣泛的RapidIO和光纖接口協(xié)議，實現(xiàn)PCIExpress到RapidIO以及光纖協(xié)議的數(shù)據(jù)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(xiàn)4X模式串行RapidIO到4XPCIE的數(shù)據(jù)交換以及2X模式的光纖接口到4X模式的PCIE的數(shù)據(jù)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(shè)計上的關(guān)鍵問題。
1 XC5LX50T及RockerIO模塊的主要特點
XC5LX50T是Xilinx穩(wěn)定可靠的第五代FPGAVirtex-5中最有代表性的一款芯片，其內(nèi)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(xié)議，每一路的數(shù)據(jù)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(fā)器，不同于前幾代的產(chǎn)品，XC5LX50T的收發(fā)器可以支持6 Gb/s以上的數(shù)據(jù)率而且設(shè)計更為簡單，工作更加穩(wěn)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(xié)議。由于性能穩(wěn)定、傳輸帶寬高等特點，串行RapidIO已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)中最理想的互聯(lián)協(xié)議之一，尤其在軍事以及國防這些對于高速互聯(lián)需求日益迫切的領(lǐng)域中，串行RapidIO逐漸成為最為主流的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。
光纖由于其帶寬高、傳輸穩(wěn)定以及接口簡單等特點，被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如光線存儲、系統(tǒng)互聯(lián)。XC5LX50T的RocketIO提供自定義的光纖協(xié)議，最高支持3.125 Gb/s。
有些領(lǐng)域中存在著將RapidIO協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳至有標準PCIE接口的服務(wù)器中進行處理的應(yīng)用，也存在著將光纖接口的數(shù)據(jù)通過有PCIE標準協(xié)議的服務(wù)器存儲到fibre channel協(xié)議的磁盤陣列中的應(yīng)用。因此本文所設(shè)計的交換模塊在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中是十分必要的。
2 高速串行交換模塊的基本功能
圖2為交換模塊功能圖。

(1)4X串行RapidIO數(shù)據(jù)與4XPCI Express數(shù)據(jù)的交換。這種交換模式分為主動和被動2種，主動模式指數(shù)據(jù)通過RapidIO協(xié)議輸入到交換模塊中，經(jīng)過交流耦合電路和協(xié)議轉(zhuǎn)換FPGA以PCIE協(xié)議傳輸?shù)搅硪荒K。被動模式指數(shù)據(jù)通過PCIE協(xié)議輸入到交換模塊中，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換FPGA以串行RapidIO協(xié)議傳輸?shù)搅硪荒K。
(2)2 bit光纖接口數(shù)據(jù)與4XPCI Exress數(shù)據(jù)的交換。這種交換模式同樣分為主動和被動2種，主動模式指數(shù)據(jù)通過光纖接口輸入到交換模塊中，經(jīng)過交流耦合電路以及協(xié)議轉(zhuǎn)換FPGA以PCIE協(xié)議傳輸?shù)搅硪荒K。被動模式指數(shù)據(jù)通過PCIE協(xié)議輸入到交換模塊中，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換FPGA以自定義光纖協(xié)議通過光纖接口傳輸?shù)搅硪荒K。