基于SerialLite2協議數據傳輸方案驗證

胡謹賢，王昆達，黎仁剛

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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基于SerialLite2協議數據傳輸方案驗證

胡謹賢，王昆達，黎仁剛

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

采用SerialLite2協議與光纖傳輸相結合的方法對高速數據傳輸方案進行驗證。通過實驗完成該協議對三種不同類型數據的傳輸驗證，驗證結果表明該方法在傳輸帶寬、線路誤碼率以及通道傳輸時延等方面能夠達到預先設計指標，最后與Aurora協議進行比較，為其在后續工程中的應用奠定基礎。

高速數據傳輸；SerialLite2協議；Aurora協議

0 引 言

隨著數字接收機的瞬時帶寬不斷增大，系統接收的數據量呈幾何級數增長，傳統的數據傳輸方式已經很難滿足不斷擴大的數據規模對傳輸性能的要求[1]。高速串行收發器單路傳輸速率很高,所以可以允許很低的信噪比。由香農公式可知:

C=W×log2(1+SNR)

(1)

式中:C為信道容量;W為傳輸信道帶寬;SNR為數據傳輸的信噪比。

當信道容量一定時，帶寬W的增加可以允許鏈路較低的信噪比。 SerialLite2是Altera公司的第2代小型串行互聯協議，適用于多種芯片至芯片、電路板至電路板和背板應用[2]。SerialLite2構建在SerialLite協議之上，實現對單工、不對稱和廣播數據流的最佳支持。在Stratix4GX FPGA中，將性能范圍由622 Mbps擴展至10.2 Gbps，邏輯占用平均降低了60%，實現了成本最低的串行互聯方案。其基本功能方面與Xilinx公司的Aurora協議類似，詳情參考文獻[2]、[3]。其典型功能連接方案如圖1所示。

圖1 SerialLite2連接功能方案

1 驗證方案設計

這里基于Serialite2協議完成數據傳輸，并通過現場可編程門陣列(FPGA)內嵌邏輯分析儀Signaltap2、Transceiver Toolkit、示波器等手段去驗證數據傳輸的性能與正確性。FPGA采用Altera公司Stratix4 GX EP4SGX230KF40，光電轉換模塊采用的是4路收發器一體光模塊。驗證方案框圖如圖2所示，數據傳輸通道由3條異步單工鏈路組成，每條鏈路均工作在6.25 Gbps的流模式。因工作在非同源時鐘傳輸模式，設置發送端時鐘補償為100 ppm。每條鏈路分別發送不同種類的數據：鏈路1發送連續的16位計數值，該計數值由FPGA內部的計數器產生，該鏈路主要完成傳輸時延的測定以及驗證連續數據流的傳輸質量；鏈路2發送時序信號，時序信號是一個占空比為50%的矩形脈沖，主要驗證高速通道對時序信號的影響，即抖動與毛刺；鏈路3發送突發性報文數據。發送端數據產生器與接收端檢測器的工作時鐘均為250 MHz，由FPGA內置鎖相環路(PLL)倍頻產生。SerialLite2核的內部并行工作時鐘為312.5 MHz，所以在邏輯資源與核接口之間采用先進先出(FIFO)完成時鐘域轉換。

圖2 SerialLite2連接功能方案

2 數據傳輸性能測試

前期的鏈路環境測試采用Quartus2的內置插件Transceiver Toolkit完成，它主要完成線路誤碼率計算，同時還可以測繪接收端數據的眼圖，其功能與Xilinx公司的IBERT核相似。經過分別對3條鏈路的環境測試，得到令人滿意的結果，在無需做均衡與預加重的情況下，3條鏈路的誤碼率均在10-12量級，滿足系統對高速數據傳輸的要求。

鏈路1發送端FPGA1內部設計1個16位的計數器作為數據發生模塊，與此同時接收端FPGA2內部同樣有一個計數器用于比對所接收到的數據，如果所接收的數據無誤，2個計數器的差值應該恒定。

采用Quartus2自帶的內嵌邏輯分析儀SignalTap2對相關信號進行抓取，結果如圖3所示，可以看到接收端2個計數器差值信號Delay_cnt值始終為24保持不變，這表明計數值被正確地接收。

由2片FPGA工作在非同源時鐘，需要采用單片自回環的方式測試線路延時，方法與Aurora協議的測試方法相同，這里只給出測試結果，SerialLite2協議的傳輸延遲為217 ns，其中收發器的時延為156 ns，收發兩端FIFO的總時延為51 ns，相比Aurora協議總延時略低。

圖3 鏈路1信號檢測結果

鏈路2主要完成時序保寬脈沖的傳輸測試。發送端SerialLite2的接口位寬同樣設置為16位，在數據的第16位與第1位插入2個占空比為50%的時序脈沖，中間14位均設置為0，即數據流將在8001與0000之間跳變。接收端SignalTap2抓取結果如圖4所示，接收端FIFO輸出的rx_fifo2_q信號正確運行在預定數據之上，數據中并無雜散出現，證明線路傳輸過程中無誤碼出現。下面將接收到的脈沖數據由FPGA管腳引出，通過示波器觀察脈沖的邊沿抖動情況，得到如圖5所示的波形圖，從圖中可以看到脈沖的邊沿穩定，不存在抖動情況，時序信號的頻率、幅度、峰峰值等特質與發送端所測一致，證明了傳輸此線路的可靠性與穩定性，圖中存在的尖峰是由于示波器未連同步地線造成的，與線路傳輸性能無關。

圖4 鏈路2信號檢測結果

圖5 示波器脈沖波形圖

鏈路3用于完成突發性報文的傳輸，與鏈路1不同的是信號并不是連續地發送，而是每隔80 ns發送1組16位的計數值，但是數據流的首尾分別添加報文頭FFFF與報文尾EEEE，數據流持續時間為400 ns，接收端SignalTap2抓取結果如圖6所示，從圖中可以看到數據在SeralLite2核的接收端口進入，經過FIFO將部分帶外數據濾除后，正確地恢復在FIFO的輸出端，驗證了鏈路能夠有效傳輸突發性的報文數據。

圖6 鏈路3信號檢測結果

綜合上面幾個實驗可得出:SerialLite2協議能夠在較短的延時內有效地完成對連續數據流、時序信號、突發報文信號的有效傳輸并且能夠保證信號的傳輸質量。

3 SerialLite2協議與Aurora協議性能比較

根據上述實驗得到的SerialLite2協議的性能，將其與Xilinx公司的Aurora協議相比較，

Aurora協議的具體性能請參考文獻[2]、[3]。

(1) 從調試的過程來看,Aurora協議需要準確理解底層的協議構建方式，這樣才能最大限度地發揮Aurora協議的效能[4]，但是SerialLite2協議的制定則可以完全通過IP的制定完成，該方面最能夠體現在單個收發器分別定制IP的問題上。

(2) 資源消耗方面,Aurora協議與SerialLite2協議同樣屬于輕量級協議，消耗的邏輯資源較少。

(3) 從協議基本功能上比較，兩者實現的功能基本相當，都能夠支持流與幀2種數據傳輸模式，所支持的速率范圍也都隨著器件等級有相應的變化；

(4) 在協議所支持的編碼方式方面，Aurora協議有明顯的優勢,它能夠支持8b/10b、64b/66b、64b/67b的編碼方式，而SerialLite2協議只能夠支持8b/10b與數據加擾的編碼方式。

(5) 在線路傳輸延時方面，Aurora協議約為243ns，SerialLite2協議略低,約為180ns(測試條件均在單板自回環模式下，且包含收發兩端的FIFO時延)。

(6) 在糾錯機制方面，在幀模式下SerialLite2協議有錯誤重傳的功能，Aurora協議只能夠完成錯誤的檢測，并不包含錯誤重傳機制，但是兩者在流模式下相同，均不包含該功能；

(7) 在通道綁定方面，SerialLite2協議有著不可忽視的缺點，在單工異步傳輸模式下，鏈路只能采用訓練模式完成同步，并且不能夠進行通道綁定，這就限制了數據傳輸帶寬，Aurora協議則不存在上述缺點。

4 結束語

通過實驗對Altera公司的SerialLite2協議進行驗證，實驗結果表明該協議能夠滿足對連續數據流、時序脈沖、間發性報文的正確傳輸，并測量出協議的傳輸延遲。最后將其與Xilinx公司的Aurora協議的性能進行對比，為后續工程上的選擇提供了依據。

[1] 王長清,冀映輝,王維,蔡慧智.基于PCI-Express和Aurora協議高速光纖通信板卡的實現[J].微計算機應用,2010,31(1):64-68.

[2] 候春雷,唐碧華,胡鶴飛，等.基于Aurora協議的MAC層幀結構的設計與實現[J].中國科技論文在線，2010,5(1):58-61.

[3] 鄧焰,戎蒙恬.基于FPGA的3.125Gbit/s串行通道設計實驗[J].電子工程師,2004,30(11):16-18.

[4] 李林軍,王勇.基于Virtex-5的串行傳輸系統設計與驗證[J].電子設計應用,2009,(12):43-45.

Validation of Data Transmission Scheme Based on SerialLite2 Protocol

HU Jin-xian,WANG Kun-da,LI Ren-gang

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper validates the high-speed data transmission scheme by using the method combining SerialLite2 protocol with optical fiber transmission,performs the transmission validation of the protocol to three various data through experiment.The validation result shows that the predesigned indexes can be achieved in the transmission bandwidth,bit error rate and channel transmission time delay by using the method.Finally the method is compared with Aurora protocol,which lays a foundation for its application to the subsequent engineering.

high-speed data transmission;SerialLite2 protocol;Aurora protocol

2014-11-11

TN971.1

A

CN32-1413(2015)02-0022-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.007