aurora協(xié)議要點(diǎn)

1、文獻(xiàn)綜述摘 要 本綜述介紹了高速串行通信的現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了Aurora通信協(xié)議的特點(diǎn)，發(fā)展和現(xiàn)狀。著重介紹了Aurora協(xié)議的原理，接口及應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。 關(guān)鍵詞：Aurora;FPGA;高速串行通信AbstractThis article introduces the actuality of high-speed serial communications and the characters ,developments and actuality of the Aurora protocol.This article especially introduces the theories

2、 ,interfaces , applications and some other knowledges.Key words:Aurora;FPGA;high-speed serial communication一、引言在典型的嵌入式系統(tǒng)中提高處理器的速度是改善系統(tǒng)性能的解決方案之一。高速緩存和更先進(jìn)的處理器架構(gòu)的使用。不斷提高著微處理器的性能， 但研究表明處理器總線頻率的增長(zhǎng)速度相對(duì)處理器內(nèi)核性能的增長(zhǎng)速度較慢，且兩者之間的差距正在不斷擴(kuò)大。處理器速率的提高無(wú)助于改進(jìn)處理器和外設(shè)芯片之間的連接或多處理器系統(tǒng)中多個(gè)處理器間的連接。傳統(tǒng)的分層共享總線已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)高性能嵌入式系統(tǒng)的I/O性能需

3、求和快速高效的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)互連，即系統(tǒng)內(nèi)的不同組件之間彼此通信的速率，已成為制約嵌入式系統(tǒng)性能提高的瓶頸5。當(dāng)前，在系統(tǒng)級(jí)互連設(shè)計(jì)中， 高速串行I/O技術(shù)迅速取代傳統(tǒng)的并行I/O技術(shù)正成為業(yè)界趨勢(shì)。高速串行I/O技術(shù)能夠帶來(lái)更高的性能、更低的成本和更簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。人們已經(jīng)意識(shí)到不論是單端并行I/O還是差分并行I/O， 發(fā)展到今天都已經(jīng)達(dá)到了它們的物理極限， 無(wú)法為超過(guò)1 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率提供可靠而低廉的實(shí)現(xiàn)方法。高速串行I/0技術(shù)的發(fā)展克服了并行I/O的速度瓶頸，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括PC、消費(fèi)電子、海量存儲(chǔ)器、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)計(jì)算和控制、測(cè)試設(shè)備等。迄

4、今業(yè)界已經(jīng)發(fā)展出了多種串行系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，例如PCIExpress、串行RapidIO、InfiniBand、千兆以太網(wǎng)、10Gbit/s以太網(wǎng)XAUI、串行ATA等。 高速串行I/O日益受到重視，Xilinx公司也推出了用于高速串行I/O的Aurora協(xié)議。Xilinx公司的FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列）芯片中內(nèi)置了RocketIO收發(fā)器，提供從400Mbps到83.2Gbps的傳輸速率。同時(shí)，F(xiàn)PGA由于其靈活性和低成本為高速串行接口的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性。2、 Aurora協(xié)議1. Aurora簡(jiǎn)介Aurora協(xié)議是由Xilinx公司提供的一個(gè)開(kāi)放、免費(fèi)的鏈路層協(xié)議，可以用來(lái)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的串

5、行數(shù)據(jù)傳輸，具有實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的高效率和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。Aurora允許器件之間以下圖所示的方式通過(guò)多個(gè)MGT通道綁定完成通信。單個(gè)GTX通道可實(shí)現(xiàn)750Mbit/s-6.5Gbit/s的通信傳輸，多個(gè)GTX通道的組合可實(shí)現(xiàn)幾十Gbit/s 甚至上百Gbit/s的通信傳輸。圖1中，MGT到MGT之間的一個(gè)鏈接被稱(chēng)為“弄” 圖1 aurora協(xié)議應(yīng)用舉例15Aurora通過(guò)為MGT提供透明的接口而將其分裝縮小，允許以太網(wǎng)和tcp/ip等專(zhuān)利技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的上層在其頂部運(yùn)行并提供方便的訪問(wèn)。Aurora核為用戶(hù)提供了一個(gè)透明的物理層接口，它支持任何上層私有的或符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，如TCP/

6、IP、Ethern- et等。此易用、預(yù)定義的協(xié)議只需很少時(shí)間即可與現(xiàn)有的用戶(hù)設(shè)計(jì)集成12。但也存在一些不完善的地方：aurora不具備地址機(jī)制，不能支持切換功能，沒(méi)有規(guī)定數(shù)據(jù)有效載荷內(nèi)校正。2. Aurora操作Aurora協(xié)議將復(fù)雜的RocketIO控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口，而用戶(hù)接口使用盡可能少的信號(hào)連接到用戶(hù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，并提供一套LocalLink兼容的輸入輸出信號(hào)來(lái)接收和發(fā)送用戶(hù)數(shù)據(jù)，其接口信號(hào)如圖2所示。 圖2 Aurora核的用戶(hù)接口9在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，用戶(hù)通過(guò)控制信號(hào)控制協(xié)議引擎完成如下操作：封裝/解封裝數(shù)據(jù)并使其在串行通道中傳輸；暫停數(shù)據(jù)傳送(插入空閑狀態(tài))。協(xié)議引擎中

7、的發(fā)送幀將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝在通道協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)中。對(duì)我們使用的Aurora協(xié)議引擎來(lái)說(shuō)，一個(gè)串行通道就由1個(gè)“弄”組成。這里，“弄”是設(shè)計(jì)中每個(gè)MGT的數(shù)據(jù)路徑標(biāo)識(shí)。插入空閑狀態(tài)的目的是為了填充“弄”來(lái)完成字邊界對(duì)齊。圖2中的REM總線(data remainder bus)用來(lái)表示在PDU傳送最后一個(gè)數(shù)據(jù)期間有效的字節(jié)數(shù)。實(shí)際的字節(jié)數(shù)等于REM總線的值加1。用戶(hù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要改變通道PDU的長(zhǎng)度，它反過(guò)來(lái)也影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。更長(zhǎng)的PDU可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸效率，但同時(shí)也降低了傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ脩?hù)可通過(guò)控制TX_ SOF_N和TX_EOF_N信號(hào)來(lái)調(diào)整PDU長(zhǎng)度。在傳輸過(guò)程中，用戶(hù)可復(fù)

8、位TX_SRC_RDY_N信號(hào)來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)停頓。在停頓期間,發(fā)送器發(fā)送空閑序列。重新置位TX_SRC_RDY_N，就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，用戶(hù)可無(wú)限制地插入停頓。 接收幀的功能與發(fā)送幀相反，將數(shù)據(jù)從“弄”中提取出來(lái)。在接收過(guò)程中，協(xié)議引擎自動(dòng)完成以下功能：檢測(cè)和丟棄控制字節(jié)；置位PDU綁定信號(hào)；從“弄”中恢復(fù)數(shù)據(jù)；重新裝配數(shù)據(jù)并送往RX_D0：31 總線。 3. Aurora的流控機(jī)制 Aurora支持可選的數(shù)據(jù)流量控制，以防止由于雙方源端和宿端速率不同而造成的數(shù)據(jù)丟失。Aurora支持兩種流控機(jī)制：故有流量控制（Native Flow Control）和用戶(hù)流量控制（User Flow Contr

9、ol）。 固有的流量控制：NFC操作有兩個(gè)狀態(tài)機(jī)控制：tx和rx。Rx狀態(tài)機(jī)將空rx fifo的狀態(tài)。當(dāng)有溢出危險(xiǎn)時(shí)，它會(huì)生成NFC pdu，要求對(duì)方在特定的時(shí)間內(nèi)暫停傳輸用戶(hù)pdu。Tx狀態(tài)機(jī)通過(guò)在要求的時(shí)間內(nèi)等待予以相應(yīng)，從而使rx fifo從一處狀態(tài)恢復(fù)。發(fā)送NFC要求的同時(shí)，tx狀態(tài)機(jī)營(yíng)銷(xiāo)出任何往返延遲。理想狀態(tài)下，NFC要求在接收f(shuō)ifo溢出前發(fā)出。您可以將NFC暫停設(shè)置為0到256，最大暫停為無(wú)限。NfC暫停止是非累積的，新的NFC會(huì)覆蓋舊的值12。 用戶(hù)流量控制：用戶(hù)無(wú)需等待數(shù)據(jù)的結(jié)束，即可發(fā)送UFC信息。UFC信息與普通的數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)通道，但有更高的優(yōu)先級(jí)。UFC消息由用戶(hù)自定

10、義和解析。4. Aurora的核參數(shù)5. 表1.核參數(shù)參數(shù)描述支持的值弄在通道中應(yīng)用的GTP/GTX收發(fā)器的數(shù)量Virtex-5 設(shè)備GTP/GTX: 1 到 16Virtex-6 設(shè)備GTX: 1 到 16Spartan-6 設(shè)備GTP: 1，2， 4表1 核參數(shù)（續(xù)）參數(shù)描述支持的值弄寬度Virtxe-5 FPGA GTP收發(fā)器在核心中設(shè)置使用2字節(jié)構(gòu)造數(shù)據(jù)。Virtex-5/Virtex-6 FPGA GTX 收發(fā)器和 Spartan-6 FPGA GTP 收發(fā)器設(shè)置使用2字節(jié)和4字節(jié)SERDESVirtex-5 設(shè)備GTP: 2字節(jié)GTX: 2/4字節(jié)Virtex-6 設(shè)備GTX: 2

11、/4 字節(jié)Spartan-6 設(shè)備GTP: 2/4 字節(jié)方向CORE Generator軟件生成的通道的類(lèi)型，可以是全雙工的，單一的TX方向，單一的RX方向，或是在一個(gè)GTP/GTX收發(fā)器上設(shè)立兩個(gè)單獨(dú)的單一的模塊（一個(gè)用于TX，一個(gè)用于RX）Full-DuplexSimplex-TXSimplex-RXSimplex-Both后通道核Aurora 8B/10B心有兩種單一的后通道：·Siderbands:通過(guò)對(duì)方發(fā)送的Siderbands設(shè)置單一TX狀態(tài)轉(zhuǎn)換·Timer:不同于Siderbands,在初始化時(shí)通過(guò)內(nèi)置的計(jì)時(shí)器完成單一TX狀態(tài)轉(zhuǎn)換SidebandsTimer

12、表1核參數(shù)（續(xù)）參數(shù)描述支持的值流控制流控制的使能。有兩種類(lèi)型:·自帶流控制（NFC）：NFC使全雙工接收器可以控制輸入數(shù)據(jù)的速率。完成模式，當(dāng)幀完成時(shí)，NFC強(qiáng)制空值。立即模式，一旦流控制信息到達(dá)，NFC強(qiáng)制為空值。·用戶(hù)流控制（UFC）：UFC使應(yīng)用程序可以通過(guò)通道相互發(fā)送簡(jiǎn)短的高優(yōu)先級(jí)的信息。NoneNFC ImmediateNFC CompletionUFCUFC 和 NFC ImmediateUFC 和NFC Completion接口用戶(hù)可以指定一到兩種接口：·數(shù)據(jù)幀：用戶(hù)數(shù)據(jù)幀接口是本地連接適應(yīng)的。初始化后，數(shù)據(jù)幀可以通過(guò)Aurora通道發(fā)送。用戶(hù)數(shù)據(jù)

13、幀接口傾向于更大，因?yàn)橛袕V泛的包容字隊(duì)列和無(wú)邏輯控制特征。·數(shù)據(jù)流：用戶(hù)數(shù)據(jù)流接口使得用戶(hù)可以開(kāi)啟一個(gè)單獨(dú)的無(wú)界限的數(shù)據(jù)幀。初始化完成后，用戶(hù)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的寄存器接口和一個(gè)空值信號(hào)向數(shù)據(jù)幀中輸入數(shù)據(jù)。Framing (本地連接)Streaming表1核參數(shù)（續(xù)）參數(shù)描述支持的值線速率線速率規(guī)定了收發(fā)器工作時(shí)的速度。該參數(shù)與Aurora 8B/10B核心的性能有關(guān)。好的性能會(huì)有更高的線速率。詳細(xì)介紹請(qǐng)參考LogiCORE IP Aurora 8B/10B v5.1 User GuideVirtex-5設(shè)備GTP 收發(fā)器:500 Mbps 到 3.75 GbpsGTX 收發(fā)器:50 Mb

14、ps 到6.5 GbpsVirtex-6 LXT/SXT 設(shè)備GTX 收發(fā)器:750 Mbps 到 6.5 GbpsVirtex-6 CXT 設(shè)備GTX 收發(fā)器:750 Mbps 到 3.75 GbpsVirtex-6 Lower Power 設(shè)備GTX 收發(fā)器:750 Mbps 到 5.0 GbpsSpartan-6 設(shè)備GTP 收發(fā)器:614 Mbps 到 3.125 Gbps表1 核參數(shù)（續(xù)）參數(shù)描述支持的值收發(fā)器參考時(shí)鐘頻率CORE Generator 軟件根據(jù)參考參數(shù)值設(shè)置以下設(shè)備的參考時(shí)鐘速率 Virtex-5, Virtex-6, and Spartan-6 FPGAs. 詳細(xì)介

15、紹請(qǐng)參考LogiCORE IP Aurora 8B/10B v5.1 User Guide。根據(jù)選擇的線速率和下列設(shè)備可用的時(shí)鐘乘法器設(shè)置合適的速率： Virtex-5 FPGA GTP/GTX 收發(fā)器 Virtex-6 FPGA GTX 收發(fā)器 Spartan-6 FPGA GTP收發(fā)器 收發(fā)器參考時(shí)鐘可以根據(jù)種種專(zhuān)用和非專(zhuān)用的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)賦予GTP/GTX收發(fā)器一個(gè)參考時(shí)鐘。如何為應(yīng)用程序選擇一個(gè)最佳的參考時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)介紹請(qǐng)參考LogiCORE IP Aurora 8B/10B v5.1 User Guide 。 Virtex-5 設(shè)備：GTPD/GTXD clocksVirtex-6 設(shè)備

16、：GTXQ clocksSpartan-6 設(shè)備：GTPD clocks表1 核參數(shù)（續(xù)）參數(shù)描述支持的值收發(fā)器放置CORE Generator軟件提供了一個(gè)圖形接口 使用戶(hù)可以為特殊的 GTP/GTX 設(shè)計(jì)弄. 請(qǐng)參考The Virtex-5 FPGA RocketIO GTP Transceiver User Guide, Virtex-5 FPGA RocketIO GTX Transceiver User Guide, Virtex-6 FPGA GTXTransceivers User Guide, 和 Spartan-6 FPGA GTP Transceivers User Gui

17、de 以及GTP/GTX收發(fā)器放置指導(dǎo)方針尋找最佳方式任何GTP/GTX收發(fā)器的聯(lián)合5. Aurora的應(yīng)用 Aurora 是一種簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展的開(kāi)放協(xié)議，支持各種各樣的應(yīng)用。如下所示：芯片間通信：使用高速穿行總線代替芯片間的并行總線，可以大大減少pcb布線復(fù)雜程度和布線層數(shù)。 板間通信：aurora使用標(biāo)準(zhǔn)的8b/10b編碼，使得aurora可以與很多現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)兼容。而且，aurora的數(shù)據(jù)傳輸率和通道個(gè)數(shù)都是可選的，使aurora更加方便用戶(hù)。簡(jiǎn)單的單向模式：在有些應(yīng)用中，并不需要雙向的通信，只需要單向的高速通信。Aurora協(xié)議提供了多種方式，只配置單相通路，以節(jié)省資源。 ASIC：aur

18、ora不僅僅應(yīng)用與FPGA設(shè)計(jì)，還可應(yīng)用于ASIC設(shè)計(jì)中。Aurora的簡(jiǎn)單性使得它在FPGA和ASIC中都可以只占用很少的資源。三、結(jié)束語(yǔ) 簡(jiǎn)單易用的Aurora協(xié)議由于其可擴(kuò)展性，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，為新一代通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的解決方案，雖然不是最好的，但相信隨著技術(shù)的發(fā)展，Aurora還會(huì)不斷進(jìn)步在更多的場(chǎng)合綻放出耀眼的光彩。參 考 文 獻(xiàn)1 馮華亮，串行RapidIO：高性能嵌入式互連技術(shù)J；今日電子-2007年9期：802 王勇，林粵偉，吳冰冰等譯，RapidIO嵌入式系統(tǒng)互連M,電子工業(yè)出版社，2006：203 陳劍波，RapidIO總線技術(shù)的研究J；計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)-2005年9期：484 RapidIO Trade Association，ISO/IEC DIS 18372，