基于FPGA的高速串行交换模块实现方法研究

2010-06-21 20:35:30来源: 汪精华,胡善清,龙 腾 关键字:FPGA  RapidIO  PCIe  高速串行交换

  摘  要: 采用Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA设计了一个用于多种高速串行协议的数据交换模块,并解决了该模块实现中的关键问题。该交换模块实现4X模式RapidIO协议与4X模式PCI Express协议之间的数据交换,以及自定义光纤协议与4X模式PCI Express协议之间的数据交换,实现了单字读写以及DMA操作,并提供高速稳定的传输带宽。

  随着FPGA应用范围的不断扩大以及对速度需求的不断提升,集成高速串行模块的FPGA已经应用于市场。以Xilinx的Virtex5系列为代表的集成GTPRocketIO模块的FPGA受到广泛关注。以XC5LX50T为例,这款FPGA集成了一个PCIE的Endpoint以及12个可以支持6 Gb/s以上的高速串行接口模块,支持串行RapidIO、fiber channel以及其他多种串行协议。

  高速串行接口是系统互联的核心,业内使用较多的是应用于嵌入式系统互联的串行RapidIO协议、应用于PCI系统互联的PCI Express协议以及存储中广泛使用的Fibre光纤协议。在数据采集存储应用中,多种接口的应用使得存储系统越来越复杂,然而针对某些特定的以磁盘为存储媒介的系统,PCI Express协议仍然占据优势。标准的数据采集存储系统结构图如图1。

  由图1可知,Fibre采集卡控制磁盘阵列的文件系统,PCIE转存卡接收数据采集设备的数据。2块板卡插在服务器提供的PCIE插槽上,通过PCIE协议交换数据。Fibre采集卡是成熟的硬件设备,而针对不同的数据采集设备只需要提供不同接口的PCIE转存卡。因此针对于应用最广泛的RapidIO和光纤接口协议,实现PCIExpress到RapidIO以及光纤协议的数据交换就非常有意义。

  本文以光纤存储为背景,用Xilinx公司的XC5LX50T实现4X模式串行RapidIO到4XPCIE的数据交换以及2X模式的光纤接口到4X模式的PCIE的数据交换。本文给出了整个交换模块的原理框图并解决了RocketIO模块设计上的关键问题。

  1 XC5LX50T及RockerIO模块的主要特点

  XC5LX50T是Xilinx稳定可靠的第五代FPGA Virtex-5中最有代表性的一款芯片,其内部集成一个可以用于Endpoint的PCIE硬核,该硬核可以支持1X模式、4X模式以及8X模式,并且遵循PCI Express Base Specification1.1协议,每一路的数据率为2.5 Gb/s,总的最大理论带宽为2 Gb/s(8 B编码后的带宽)。

  XC5LX50T提供了12个用于高速串行的RocketIO收发器,不同于前几代的产品,XC5LX50T的收发器可以支持6 Gb/s以上的数据率而且设计更为简单,工作更加稳定,其低功耗特性更加理想。RocketIO模块可以支持串行RapidIO、xaui、fibre channel等标准协议。由于性能稳定、传输带宽高等特点,串行RapidIO已经成为嵌入式系统中最理想的互联协议之一,尤其在军事以及国防这些对于高速互联需求日益迫切的领域中,串行RapidIO逐渐成为最为主流的数据交换协议。

  光纤由于其带宽高、传输稳定以及接口简单等特点,被广泛应用于很多领域,例如光线存储、系统互联。XC5LX50T的RocketIO提供自定义的光纤协议,最高支持3.125 Gb/s。

  有些领域中存在着将RapidIO协议的数据上传至有标准PCIE接口的服务器中进行处理的应用,也存在着将光纤接口的数据通过有PCIE标准协议的服务器存储到fibre channel协议的磁盘阵列中的应用。因此本文所设计的交换模块在嵌入式系统的应用中是十分必要的。

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关键字:FPGA  RapidIO  PCIe  高速串行交换

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2010/0621/article_1193.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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