基于FPGA的高速串行传输系统的设计与实现

摘要：作为高传输速率和低设计成本的传输技术，串行传输技术被广泛应用于高速通信领域，并已成为业界首选。在此基于对高速串行传输系统的分析，对实例进行了总体设计验证，最终达到高速传输的目的。
关键词：FPGA；PCI-Express；时钟控制模块；Aurora模块

0 引言
随着网络技术的不断发展，数据交换、数据传输流量越来越大。尤其像雷达，气象、航天等领域，不仅数据运算率巨大，计算处理复杂，而且需要实时高速远程传输，需要长期稳定有效的信号加以支持，以便能够获得更加精准的数据收发信息，更好的为工程项目服务。传统的并行传输方式由于走线多、信号间串扰大等缺陷，无法突破自身的速度瓶颈。而串行传输拥有更高的传输速率但只需要少量的信号线，降低了背板开发成本和复杂度，满足高频率远距离的数据通信需求，被广泛应用到各种高速数据通信系统设计中。
目前，高速串行接口取代并行拓扑结构已经是大势所趋。当今很多公用互连标准(如USB，PCI-Express)都是基于串行连接来实现高速传输的。相比于并行总线，串行连接的物理紧密度和链路韧性具有很多优势。因此，很多传输领域都转向了串行传输，如笔记本电脑显示互连、高速背板互连和存储器内部互连。该系统涉及到的技术主要包括：光纤传输、PCIE(PCI-Express)传输和DDR缓存技术，以及这几种技术在FPGA中融合为一个完整的串行传输链路，并实现了在两台服务器之间的高速数据传输测试，这对于实际工程应用具有重要的现实意义。

1 系统结构
高速串行传输系统作为数据采集、传输、存储中的一部分，对传输性能指标有着严格的要求。该系统要完成光信号到PCI-Express接口信号的相互转换，并在转换过程中完成数据的高速传输。信号一般可达4．25 Gb／s，处理如此高的数据对硬件设计提出了很大的挑战。其中所包含的硬件有：高速光电转换电路，FPGA数据处理电路、DDRⅡ数据缓存电路、时钟管理电路、PCIE传输模块电路、电源模块电路、自定义扩展接口电路。系统框图如图1所示。

技术要求主要有以下几点：首先，传输卡中的4个光纤通道，每通道要达到2 Gb／s以上。其次，PCIE传输速率不小于6 Gb／s，支持DMA传输。再有，光纤和PCI-E传输误码率要小于1×10-10，连续传输相对稳定。
图1中各个模块的功能如下：Virtex5作为传输卡的核心，用来实现数据从光纤接口到PCIE接口的高速转换。光纤传输模块的作用是将内部数据经过编码后，通过光缆传输给接收系统，以及接收外来光数据，并将光数据传送给FPGA处理电路DDR缓存模块的作用，就是将传输过程中的高速数据，进行缓存，以保持数据的完整性。PCI-Express传输模块的作用，就是与PC之间实现PCI-Express传输协议，与PC实现串行数据传输，同时与外部扩展接口，DDR缓存，光纤传输模块实现内部并行数据的交换。QTE自定义接口模块的作用，就是进行外部功能扩展。比如，可以扩展高速数据采集板卡、存储硬盘卡、图像采集卡等。时钟管理模块的作用，是给光纤传输模块提供参考时钟。时钟频率由FPGA的时钟控制模块控制。根据光模块的性能，给出指定的时钟。PCI-Express的参考时钟，是通过芯片从PC主板上提取的。电源管理模块的作用，是给整个系统提供各种不同的电压。

2 系统模块设计与实现
为了实现所要求的系统配置，更好地发挥各模块自身及相互之间的作用，必须对模块间进行系统的协议分析。该系统的数据传输是双向的，既可以传输数据，也可以接收数据。它主要由电源管理模块，时钟管理模块，PCI-Express传输模块，DDR缓存模块，光纤传输模块和外部扩展接口组成。其中，时钟控制模块和Aurora发送模块、Aurora接收模块是整个设计的重点。
2．1 时钟控制模块
时钟控制模块主要用来控制FPGA外围的时钟芯片ICS8442来产生所需要的高信噪比、低抖动的差分时钟。其模块电路如图2所示：输出其中的信号用来完成对ICS8442的编程，使其能够产生所需要的时钟信号。