基于FPGA的具有流量控制機(jī)制的高速串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文介紹了基于Xilinx Virtex-6 FPGA的高速串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包含AXI DMA和GTX串行收發(fā)器，系統(tǒng)增加了流量控制機(jī)制來(lái)保證高速數(shù)據(jù)傳輸的可靠性。最后進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)可以高速可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

　　引言

　　隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中各模塊之間經(jīng)常需要高速數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用并行接口，并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)向來(lái)都是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展遇到了瓶頸，面臨很多問(wèn)題，如接口信號(hào)不同步，信號(hào)串?dāng)_，引腳過(guò)多增加PCB板布線難度及設(shè)計(jì)制作成本。因此，高速串行接口已經(jīng)逐漸取代并行接口。與并行傳輸相比，串行傳輸具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以提供更大的帶寬更遠(yuǎn)的傳輸距離以及更低的成本。

　　高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中各模塊規(guī)模以及復(fù)雜度逐漸加大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾饾u成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊處理數(shù)據(jù)的速度很難達(dá)到一致，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接收模塊等待發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，或者發(fā)送模塊等待接收模塊接受數(shù)據(jù)的情況。為了使高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可靠工作不丟失數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要加入流量控制機(jī)制，來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)送模塊和接受模塊的工作。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)基于Xilinx公司的Virtex-6系列的一款FPGA——XC6VLX240T，用于進(jìn)行高速串行數(shù)據(jù)傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括微控制器MicroBlaze模塊，直接存儲(chǔ)器存取(DMA)模塊以及基于Aurora協(xié)議以及GTX收發(fā)機(jī)的Aurora模塊，另外還有內(nèi)存模塊(DDR3)，兩個(gè)作為緩沖器的FIFO模塊以及一個(gè)用于流量控制的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)模塊。系統(tǒng)的工作流程為：微控制器MicroBlaze通過(guò)AXI-Lite總線向DMA寄存器寫數(shù)據(jù)，配置DMA讀操作的數(shù)據(jù)源地址，讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，DMA寫操作的目標(biāo)地址以及寫數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后啟動(dòng)DMA。DMA開始讀取DDR3源地址空間中的數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO1傳給Aurora模塊，Aurora模塊中的GTX收發(fā)器將數(shù)據(jù)通過(guò)同軸電纜以串行的方式從發(fā)射端發(fā)送到接收端。然后接收端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽IFO2中，然后通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)寫入到DDR3內(nèi)存規(guī)定的目標(biāo)地址空間中。本系統(tǒng)中采用回路(loopback)的模式來(lái)方便地模擬串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。　　

 

　　以下分別對(duì)其主要模塊進(jìn)行介紹。

　　微控制器Microblaze模塊

　　MicroBlaze是Xilinx公司推出的一款可以嵌入在FPGA中處理器軟核，采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，具有豐富的適用于嵌入式應(yīng)用的指令集，支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合，最新的MicroBlaze支持AXI總線。MicroBlaze運(yùn)行速度快，占用資源少，具有很強(qiáng)的可配置性，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。