基于FPGA的高速串行交換模塊實現(xiàn)方法研究

　　摘 要： 采用Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA設(shè)計了一個用于多種高速串行協(xié)議的數(shù)據(jù)交換模塊，并解決了該模塊實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題。該交換模塊實現(xiàn)4X模式RapidIO協(xié)議與4X模式PCI Express協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換，以及自定義光纖協(xié)議與4X模式PCI Express協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了單字讀寫以及DMA操作，并提供高速穩(wěn)定的傳輸帶寬。

　　隨著FPGA應(yīng)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(jīng)應(yīng)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(guān)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(xié)議。

　　高速串行接口是系統(tǒng)互聯(lián)的核心，業(yè)內(nèi)使用較多的是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)的串行RapidIO協(xié)議、應(yīng)用于PCI系統(tǒng)互聯(lián)的PCI Express協(xié)議以及存儲中廣泛使用的Fibre光纖協(xié)議。在數(shù)據(jù)采集存儲應(yīng)用中，多種接口的應(yīng)用使得存儲系統(tǒng)越來越復(fù)雜，然而針對某些特定的以磁盤為存儲媒介的系統(tǒng)，PCI Express協(xié)議仍然占據(jù)優(yōu)勢。標準的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

　　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FPGA Virtex-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。