SPI4.2總線應用和調(diào)試經(jīng)驗談

引言

　　SPI4.2總線（System Packet Interface，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)包接口）是一種速度高達10 Gb/s的芯片間互連總線，主要應用于ATM信元傳輸、POS（Packet Over SONET/SDH，基于SONET/SDH的包傳輸）和10 Gb/s以太網(wǎng)等高端場合。特別在通信領(lǐng)域，很多高端處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器,如Intel公司的IXP2800、Cavium公司的多內(nèi)核處理器CN58xx系列、NetLogic公司的XLR732、BrOAdcom的BCM1480，幾乎都集成了SPI4.2接口，以提高芯片的吞吐能力，適應通信產(chǎn)業(yè)朝著LTE（長期演進）發(fā)展的需求。還有眾多的物理層芯片，例如Cortina公司的CS1331，可以將SPI4.2總線轉(zhuǎn)換成8個千兆以太網(wǎng)接口。SPI4.2總線之所以被眾多的高端芯片所采用，與其高速、靈活、可靠的特性是密不可分的。

　　1 SPI4.2總線基本原理

　　SPI4.2總線是一種芯片間的互連總線，連接芯片的鏈路層和物理層模塊。其工作時鐘是源同步雙邊沿觸發(fā)時鐘，至少為311 MHz。圖1是使用SPI4.2總線連接兩個芯片的示意圖?？梢姡琒PI4.2總線的信號在發(fā)送和接收方向完全對稱而又互相獨立，數(shù)據(jù)鏈路和狀態(tài)鏈路分開，并且其時鐘也是完全分開的。因此，該總線不僅適合于雙向通道，而且適合于只收不發(fā)或者只發(fā)不收的單向通道。

圖1 SPI4.2連接示意圖

　　SPI4.2總線具有以下特點：

　?、?點對點互連，收發(fā)數(shù)據(jù)鏈路寬度為16位。

　　② 發(fā)送和接收模塊的信號各分為兩組，即數(shù)據(jù)信號和狀態(tài)信號，分別對應數(shù)據(jù)鏈路和狀態(tài)鏈路，每個鏈路具有自己的時鐘。數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，狀態(tài)鏈路傳輸相應鏈路的狀態(tài)信息。

　?、?數(shù)據(jù)鏈路包含DCLK、DAT[15:0]和CTL三種LVDS（低壓差分傳輸）信號。前面加“T”表示信號屬于發(fā)送模塊，加“R”表示信號屬于接收模塊。以發(fā)送模塊為例，TDCLK是雙邊沿觸發(fā)時鐘，TCTL是控制信號，TDAT[15:0]承載了數(shù)據(jù)和控制信息。當TCTL為高電平時，TDAT[15:0]傳送的是數(shù)據(jù)包；當TCTL為低電平時，TDAT[15:0]傳送的是控制包。數(shù)據(jù)采用DIP4校驗交織碼。

　　④ 狀態(tài)鏈路包括SCLK時鐘信號和STAT[1:0]狀態(tài)信號，信號類型是LVTTL或LVDS。SPI4.2 發(fā)送時序如圖2所示。如果選擇LVTTL，則SCLK時鐘頻率是數(shù)據(jù)鏈路時鐘速率的1/4。如果選擇LVDS，則SCLK時鐘頻率和數(shù)據(jù)鏈路時鐘頻率相同。下文中均以LVDS為例進行闡述。狀態(tài)鏈路主要用于流控。

　?、?接收和發(fā)送模塊都含有一個FIFO隊列，用于緩存數(shù)據(jù)，隊列長度由芯片設(shè)計而定。隊列的狀態(tài)信息通過狀態(tài)鏈路周期性地發(fā)送，接收模塊和發(fā)送模塊的狀態(tài)信息是獨立的。狀態(tài)信息附加了DIP2交織校驗碼，以提高傳輸可靠性。

圖2 SPI4.2 發(fā)送時序

　　除了數(shù)據(jù)包中最后一段不滿16字節(jié)的數(shù)據(jù)（EOP）之外，SPI4.2總線的數(shù)據(jù)實行突發(fā)傳輸，以16字節(jié)為單位（稱為一個數(shù)據(jù)塊），每次傳輸多個數(shù)據(jù)塊。因為數(shù)據(jù)寬度是16位，所以一次突發(fā)傳輸至少需要4個時鐘周期。數(shù)據(jù)的高地址位字節(jié)先發(fā)送（MSB），低地址位字節(jié)后發(fā)送，數(shù)據(jù)塊傳輸過程中不會被中斷。每次突發(fā)傳輸?shù)拈g隔期間傳送控制包或者訓練序列。圖2中，TDAT表示數(shù)據(jù)塊，TCTRL表示控制塊?？刂瓢L度為16位，包含了前次傳輸和下次傳輸?shù)臓顟B(tài)信息：包開始標志、包結(jié)束標志、邏輯端口地址和DIP4交織校驗碼等。數(shù)據(jù)鏈路遵循有限狀態(tài)機進行工作，狀態(tài)包括5種：控制包傳輸、數(shù)據(jù)包傳輸、空閑包傳輸、訓練序列傳輸以及訓練序列控制[1]。

　　因為狀態(tài)鏈路的寬度是2位，所以每次突發(fā)傳輸至少傳輸16位數(shù)據(jù)（4個時鐘周期）。反映FIFO隊列的狀態(tài)信息有3種：飽（Satisfied）、餓（Hungry）、極餓（Starving），分別對應二進制數(shù)字10、01和00。11表示鏈路處于失步狀態(tài)，正在同步過程中。當狀態(tài)是“飽”時，說明隊列幾乎滿了，只接收當前正在傳送的數(shù)據(jù)包，其他數(shù)據(jù)包只有等狀態(tài)更新后才能接收。當狀態(tài)是“餓”時，可以接收最大MaxBurst2個數(shù)據(jù)塊。當狀態(tài)是“極餓”時，說明隊列幾乎空了，可以接收最大MaxBurst1個數(shù)據(jù)塊。MaxBurst1和MaxBurst2是SPI4.2總線初始化時設(shè)定的參數(shù)，MaxBurst1不得小于MaxBurst2。

　　2 SPI4.2總線的初始化和同步

　　SPI4.2總線初始化時必須設(shè)定一些基本參數(shù)，如表1所列。

　　SPI4.2總線協(xié)議定義了一個叫“日歷”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CALENDAR[i]（i=1，…，CALENDAR_LEN）。CALENDAR_LEN（日歷長度）參數(shù)規(guī)定了邏輯端口（或稱為虛擬通道）的數(shù)目，該數(shù)值不能小于實際的邏輯端口數(shù)目。例如，如果SPI4.2總線用于10 Gb/s以太網(wǎng)口，那么日歷長度是1（即CALENDAR_LEN = 1）；如果SPI4.2總線用于10個1 Gb/s以太網(wǎng)口，那么日歷長度是10（CALENDAR_LEN = 10），CALENDAR[i] = 1，2，…，10，代表了10個以太網(wǎng)端口。CALENDAR[i]中承載的數(shù)據(jù)被周而復始地依次傳輸，重復次數(shù)是CALENDAR_M次。圖3為日歷長度和重復次數(shù)都是4的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。SPI4.2總線被初始化時，必須確保接口兩端的CALENDAR_LEN和CALENDAR_M分別相等。從這個角度看，SPI4.2是一種時分復用的總線：總帶寬是固定的，“日歷”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定了帶寬和邏輯端口的分配。

　　當SPI4.2正常工作時，數(shù)據(jù)和狀態(tài)鏈路會不定期地發(fā)送訓練序列。在數(shù)據(jù)鏈路，訓練序列至少應該在DATA_MAX_T個時鐘周期內(nèi)發(fā)送一次。在狀態(tài)鏈路，訓練序列至少應該在FIFO_MAX_T個時鐘周期內(nèi)發(fā)送一次。設(shè)置DATA_MAX_T或FIFO_MAX_T為0將取消各自鏈路的訓練序列，一般情況下不推薦這種設(shè)置。

　　圖4以XLR732為參照描述了SPI4.2總線的收發(fā)同步過程。啟動之后，在發(fā)送方向，發(fā)送模塊（TX）通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送連續(xù)的訓練序列，對端的接收模塊成功收到訓練序列后，會設(shè)置本端的接收同步標志；然后通過狀態(tài)鏈路發(fā)送訓練序列給對端，一旦發(fā)送模塊成功接收到訓練序列后，就設(shè)置本端的發(fā)送同步標志。

　　在接收方，接收模塊（RX）在數(shù)據(jù)鏈路成功接收到對端發(fā)送的訓練序列后，會設(shè)置本端的接收同步標志；然后通過狀態(tài)鏈路發(fā)送訓練序列，一旦發(fā)送模塊成功接收到訓練序列后，就設(shè)置本端的發(fā)送同步標志。在同步過程中，訓練序列由指定的連續(xù)的DIP4碼字組成。發(fā)送模塊必須連續(xù)發(fā)送訓練序列，直到本端的狀態(tài)鏈路收到有效信息。同時，接收模塊忽視所有接收到的數(shù)據(jù)，直到觀察到訓練序列，獲得數(shù)據(jù)同步。一旦數(shù)據(jù)鏈路同步之后， FIFO隊列狀態(tài)信息就開始傳送。

　　如果發(fā)送方接收到有效的狀態(tài)信息，它就可以開始進行數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。如果在工作過程中，由于某些原因（例如一端器件掉電或重啟）導致總線失步，那么為了再次獲得同步，雙方需要按照上述過程發(fā)送連續(xù)的訓練序列，直到建立同步為止。

表1 SPI4.2初始化基本參數(shù)

圖3 日歷長度和重復次數(shù)都為4的數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖4 收發(fā)同步過程示意圖

　　3 SPI4.2總線接口的調(diào)試

　　SPI4.2總線接口的調(diào)試包括兩個重要步驟：鏈路的同步和數(shù)據(jù)的正常收發(fā)。

　　在調(diào)試鏈路同步時，首先必須查看總線兩端的初始化參數(shù)配置。因為SPI4.2 總線協(xié)議是一個對等端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，所以大部分參數(shù)需要雙方的匹配和協(xié)商，特別是接收方和發(fā)送方的CALENDAR_LEN和CALENDAR_M參數(shù)。

　　如何查看同步呢？芯片通常會提供一個狀態(tài)寄存器來反映總線的同步?！敖邮胀綐酥尽敝荒苷f明在數(shù)據(jù)鏈路上成功接收到對端的訓練序列，但不能保證接收的狀態(tài)鏈路是正常的，如果需要確認可查看對端的“發(fā)送同步標志”。在收發(fā)雙向通道應用中，只有兩端的“接收同步標志”和“發(fā)送同步標志”都置位了，總線才算同步。此時，可以確認總線兩端的物理連接是正確的，握手成功。

　　如果不能同步，就必須檢查兩端的“接收同步標志”和“發(fā)送同步標志”，判斷是哪一端出了問題。檢查是否有DIP4和DIP2錯誤，如果有此類錯誤，說明鏈路上信號質(zhì)量可能不佳，可以用示波器測量信號波形。如果信號質(zhì)量確實不好，可以通過提高信號驅(qū)動能力或者調(diào)整硬件匹配阻抗來優(yōu)化。

　　如果兩端的接收和發(fā)送都沒有同步，就必須測量芯片的電壓、工作頻率、重啟等信號。如果兩端的“接收同步標志”和“發(fā)送同步標志”都已經(jīng)置位，說明雙方的接收和發(fā)送都同步，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)了。在大流量數(shù)據(jù)傳輸過程中，最相關(guān)的是FIFO隊列的參數(shù)配置，配置不當會導致錯包或丟包。以NetLogic公司的XLR732網(wǎng)絡(luò)處理器為例[2]，SPI4.2總線的發(fā)送模塊的所有邏輯端口共享一個FIFO隊列，寬度為16字節(jié)，長度為128；接收模塊的所有邏輯端口共享一個FIFO隊列，寬度為16字節(jié)，長度為512。每個邏輯端口所占用的隊列地址和大小都可以通過寄存器配置。

　　假如某個端口接收端隊列的長度是48，MaxBurst1是12，MaxBurst2是8。那么當該模塊接收數(shù)據(jù)時，如果由于某些原因（例如軟件來不及處理），接收隊列只剩下12個空位，也就是接收隊列已經(jīng)有48－12=36個空位被占用時，它將通過狀態(tài)鏈路向?qū)Χ税l(fā)送“餓”的狀態(tài)信號（反壓信號）。對端收到該信號后實施流控策略，根據(jù)本端發(fā)送端的MaxBurst1設(shè)置值發(fā)送數(shù)據(jù)，該值表示接收到“餓”狀態(tài)信號后最多還可以發(fā)送的數(shù)據(jù)塊數(shù)目。所以接收端的MaxBurst1 的值一定要大于對端發(fā)送端的MaxBurst1，并且要留出一定的余量，因為數(shù)據(jù)在鏈路上的傳輸也是需要時間的。同理，接收端的MaxBurst2要大于對端發(fā)送端的MaxBurst2。值得注意的是，流控是基于邏輯端口的，而不是整條鏈路。

　　為保證不發(fā)生接收端FIFO隊列溢出等問題，盡量將接收端的MaxBurst1和MaxBurst2設(shè)置大一些， 只要小于FIFO入口總數(shù)就可以，而發(fā)送端MaxBurst1和MaxBurst2的 設(shè)置不要超過本端接收能力。

　　如果出現(xiàn)EOP（結(jié)束包）和SOP（起始包）錯誤或缺失，或者其他錯包（例如包長變短、幀校驗錯誤等），但沒有DIP4 錯誤，該怎么辦？這類問題一般出現(xiàn)在FIFO隊列設(shè)置上，尤其是接收端的FIFO隊列可能溢出，從而丟失了某些數(shù)據(jù)塊，可以通過以下3種方法來檢測和解決：

　?、?通過查看接收端FIFO溢出標志來判斷FIFO隊列是否溢出；

　　② 通過調(diào)整接收端的MaxBurst1和MaxBurst2來防止FIFO隊列溢出；

　?、?如果方法②的調(diào)整足夠大，還有此問題，可以查看對端是否收到反壓信號，以及對端的狀態(tài)等。

　　為了方便，通常將發(fā)送端的MaxBurst1和MaxBurst2設(shè)置為相同數(shù)值，將接收端的MaxBurst1和MaxBurst2也設(shè)置成相同數(shù)值。

　　結(jié)語

　　隨著處理器的速度越來越快，處理器集成的內(nèi)核越來越多，處理器與外圍器件之間，處理器之間，以及外圍器件之間的連接速度逐漸成為制約平臺性能的瓶頸。許多芯片同時集成了多個總線接口，例如XLR732同時擁有SPI4.2、HT、以太網(wǎng)3種總線接口。SPI4.2總線在與其他總線的競爭中體現(xiàn)出了強大的生命力，希望本文所介紹的經(jīng)驗對正在應用或計劃應用SPI4.2總線的同行有所幫助。