基于SERDES的甚短距離光傳輸鏈路層協(xié)議

1、    基于SERDES的甚短距離光傳輸鏈路層協(xié)議    基于SERDES的甚短距離光傳輸鏈路層協(xié)議    類別：通信網(wǎng)絡(luò)      1 引言 隨著人們對(duì)信息量的需要越來越大,甚短距離光傳輸技術(shù)(VSR,Verv Shotl Reach)不僅應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)通信中，也可以廣泛使用于高速互連的各種應(yīng)用。以RapidIO和Infinihand為代表的串行傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),在物理層采用光互連是其發(fā)展趨勢(shì)之一。本文基于SERDES硬核

2、，定制了一個(gè)串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速傳輸協(xié)議模型，可用于短距離的光互連系統(tǒng)。在SERDES的選擇上，本設(shè)計(jì)選用了Rocket I/O作為協(xié)議的物理層。Rocket I/O是Xilinx公司嵌入到FPGA中的高速串行收發(fā)器硬核,單片可提供高達(dá)3.125Gb/s的I/O速率。 2 ROCket I/O簡(jiǎn)介 Rocket I/O是一種靈活、功能可配置的千兆位級(jí)高速串行收發(fā)器Xilinx公司將它集成在多款FPGA系列中，為多種串行通信標(biāo)準(zhǔn)提供支持，其中包括InfinibandTM、PCI express和光纖通道FC等。 它的基本功能就是接收并行數(shù)據(jù)，發(fā)送高速串行信號(hào)；接收高速串行信號(hào)，進(jìn)行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，準(zhǔn)確

3、無誤恢復(fù)成并行數(shù)據(jù)輸出。Rocket I/O采用了8B/10B編解碼技術(shù)，預(yù)加重技術(shù)，comma字符檢測(cè)等保證了數(shù)據(jù)的串化，解串過程的正確運(yùn)行。R0cket I/O主要由物理媒介層和物理編碼層構(gòu)成。 其中PMA主要包括串化器、解串器、時(shí)鐘產(chǎn)生和恢復(fù)電路、發(fā)送和接收彈性緩沖區(qū)：PCS主要包括8B/10B編解碼模塊、時(shí)鐘校正、CRC校驗(yàn)和通道綁定。Rocket I/O的工作原理是：在發(fā)送端的并行數(shù)據(jù)(可以是8、16或32bits位寬),插入CRC校驗(yàn)符號(hào),使能8B/1OB編碼功能,將待發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,之后送到Serializer串化器,最終被轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)Rocket I/O的的差分驅(qū)動(dòng)器是以C

4、ML(Current Model Logic)實(shí)現(xiàn)的。在接收端接收差分信號(hào)經(jīng)逆過程轉(zhuǎn)換為原始并行數(shù)據(jù)。RocketI/O還提供了comma字符檢測(cè),用于數(shù)據(jù)的對(duì)齊。Rocket I/O的靈活的功能可配置模式,使得CRC校驗(yàn)功能,8B/10B編解碼功能可以選擇使用,也可以被旁路。 3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在我們將Rocket I/O作為物理層數(shù)據(jù)收發(fā)器,為數(shù)據(jù)通信提供并串/串并轉(zhuǎn)換,然后在鏈路層做數(shù)據(jù)收發(fā)和控制邏輯模塊,設(shè)計(jì)過程中需調(diào)用Rocket I/O模塊,正確配置其參數(shù)。整個(gè)協(xié)議包含了OSI參考模型的鏈路層和物理層兩層,對(duì)上層協(xié)議提供應(yīng)用接口。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中引入8B/10B編解碼，

5、使鏈路上有充足的電平跳變，保證了接收設(shè)備正確進(jìn)行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)。由于本文只考慮數(shù)據(jù)從發(fā)端到收端的傳輸過程，不存在尋址交換和復(fù)雜的上層應(yīng)用，因此本文對(duì)于流量控制和尋址交換不作考慮。那么定制這樣一個(gè)鏈路層協(xié)議，主要考慮的就是：數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、鏈路初始化和鏈路狀態(tài)控制等。 31 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 為了保證鏈路上的數(shù)據(jù)正確的傳輸?shù)浇邮斩耍⑶冶唤邮赵O(shè)備正確的解析，需要定義協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式。根據(jù)甚短距離光互連技術(shù)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用需求，協(xié)議定制需盡量減少協(xié)議的傳輸開銷，簡(jiǎn)化收發(fā)雙方的握手過程，這是與現(xiàn)有的針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腣SR協(xié)議不同的地方。本文引入8B/10B編碼中的K字符，來定義協(xié)議原語：初始化字符(SP)

6、，初始應(yīng)答字符(SPA)，空閑字符(IDLE)，幀頭(SF)，幀尾(EF)。幀頭幀尾只占4個(gè)字節(jié)的開銷，在協(xié)議的上層接口方面，設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀開始結(jié)束和有效的控制信號(hào)。 其中SP、SPA用來初始化鏈路；SF、EF表示數(shù)據(jù)幀頭和幀尾，用來把原始數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，由鏈路發(fā)送到目的地，在接收端幀頭幀尾又被去除，解析成原始數(shù)據(jù)：在鏈路空閑狀態(tài)下，IDLE字符將被發(fā)送，以維持鏈路的暢通。 3.2 鏈路初始化和狀態(tài)控制 每次通信都要經(jīng)過建立通信聯(lián)絡(luò)和拆除通信聯(lián)絡(luò)兩過程。這種建立起來的數(shù)據(jù)收發(fā)關(guān)系叫作數(shù)據(jù)鏈路。系統(tǒng)上電后需要對(duì)鏈路進(jìn)行初始化來建立一個(gè)有效鏈路。初始化過程包括了對(duì)Rocket I/O的復(fù)位和對(duì)

7、齊，以使Rocket I/O正常開始工作。之后發(fā)送端不斷向鏈路上發(fā)送SP同步字符，如果接收端接收到同步請(qǐng)求，則回復(fù)一個(gè)同步應(yīng)答信號(hào)。如果發(fā)送端收到這個(gè)應(yīng)答信號(hào)，鏈路就被激活，表明可以收發(fā)數(shù)據(jù)了。鏈路初始化完成后，需要維持鏈路的暢通狀態(tài)。而對(duì)協(xié)議的上層應(yīng)用來說，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送是有問隙的。為了保持鏈路的激活狀態(tài)，發(fā)送端在沒有數(shù)據(jù)幀發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，會(huì)不斷向鏈路發(fā)送空閑字符(IDLE)。接收方識(shí)別IDLE字符后，做拋棄處理。如果鏈路遇到系統(tǒng)復(fù)位或物理連接中斷，鏈路自動(dòng)回到初始化過程的狀態(tài)。 33 協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn) 根據(jù)以上對(duì)協(xié)議的設(shè)計(jì)要素和依據(jù)的敘述，作者設(shè)計(jì)了發(fā)送數(shù)據(jù)位寬位為16比特，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送接收全

8、雙工工作的協(xié)議結(jié)構(gòu)。作者采用了VerilogHDL硬件描述語言，調(diào)用配置Rocket I/O模塊，并對(duì)鏈路層設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行建模。鏈路層主要包括了發(fā)送邏輯、接收邏輯、鏈路初始化和鏈路狀態(tài)控制模塊。 發(fā)送邏輯模塊，在不同的鏈路狀態(tài)下，向鏈路發(fā)送各種功能字符，并采用一個(gè)2比特寬度信號(hào)，分別指示被編碼后的數(shù)據(jù)MSB和LSB是否為K字符。1表示為K字符，O表示為D字符。接收邏輯對(duì)從RocketI/O串并轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)解碼，通過接收到的協(xié)議原語，來確定鏈路狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，并將數(shù)據(jù)從鏈路中解析出來。接收端同樣有一個(gè)2位寬的信號(hào)，分別表示MSB和LSB的是否為K字符，還有一個(gè)comma字符指示信號(hào),用于接

9、收字節(jié)對(duì)齊。本設(shè)計(jì)的Verilog HDL源代碼在ISE8.1li環(huán)境下，通過了綜合，翻譯映射和布局布線,最終配置下載到Virex-II ProXC2VP20進(jìn)行調(diào)試。 4 測(cè)試結(jié)果 為了對(duì)協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)完整性和延遲驗(yàn)證，有必要采用一種簡(jiǎn)單有效的方法來模擬數(shù)據(jù)幀的發(fā)送請(qǐng)求。首先初始化一個(gè)單口RAM，在其周圍填加適當(dāng)?shù)目刂七壿嫯a(chǎn)生標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀開始結(jié)束和有效的脈沖信號(hào)，以符合協(xié)議的接口標(biāo)準(zhǔn)，生成可用的數(shù)據(jù)幀。測(cè)試方案設(shè)置了兩個(gè)協(xié)議模塊，分別作為發(fā)送端和接收端。當(dāng)鏈路初始化完成后，設(shè)置標(biāo)識(shí)鏈路可用的信號(hào)來復(fù)位幀產(chǎn)生模塊，使其開始生成數(shù)據(jù)幀，傳輸?shù)桨l(fā)送模塊。協(xié)議設(shè)計(jì)為全雙工的工作模式，發(fā)送和接收模塊的功

10、能完全相同，因此兩個(gè)模塊可以互為發(fā)送接收數(shù)據(jù)。本方案首先在Modelsim中進(jìn)行仿真 從仿真的時(shí)序圖可以看到,鏈路初始化完成后進(jìn)入空閑狀態(tài),此時(shí)鏈路上被空閑字符(7C7C)占據(jù)。一旦有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，即轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。TX_SOF_N，TX_EOF_N和TX_SRC_RDY_N分別是標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開始、結(jié)束和有效的信號(hào)。要發(fā)送的是0001到0009的寬度為16位的數(shù)據(jù)幀。在鏈路上數(shù)據(jù)被加上幀頭(5CFB)和幀尾(FDFE)之后封裝為數(shù)據(jù)包。在協(xié)議的物理層,Rocket I/O將并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，通過差分驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到物理傳輸介質(zhì)上。在仿真時(shí)序圖上還可以觀察到發(fā)送和接收到差分信號(hào)TXP、TXN與

11、RXP、RXN。 在測(cè)試方案的接收端,Rocket I/O將接收到的差分信號(hào)通過差分驅(qū)動(dòng)器和串并轉(zhuǎn)換,再次還原為并行數(shù)據(jù)信號(hào)。協(xié)議的接收邏輯模塊將數(shù)據(jù)包解析,去掉幀頭幀尾,并重新產(chǎn)生標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀開始結(jié)束和有 效 的RX_SOF_N、RX_EOF_N、RX_SRC_RDY _N信號(hào)。數(shù)據(jù)包解析完畢后,鏈路再次轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài),等待下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的到來。 本測(cè)試方案通過綜合,翻譯映射和布局布線流程后,下載到virtex-II PrO XC2VP20中,差分信號(hào)的輸入輸出使用SMA接口互連。并將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到指示燈。通過觀測(cè)指示燈亮滅狀況確定了最終接收的數(shù)據(jù)是正確的。數(shù)據(jù)收發(fā)延遲包括協(xié)議引擎延遲和物理層延遲，總共為42個(gè)時(shí)鐘周期，其中物理層延遲為31個(gè)時(shí)鐘周期，占總延遲的73.8。因此作為物理層的SERDES延遲是影響協(xié)議總延遲主要因素。 5 結(jié)論 在芯片級(jí)或板級(jí)甚短距離光互連系統(tǒng)中,要求數(shù)據(jù)傳輸有比較高的速率和實(shí)時(shí)性。本文基于這種需求設(shè)計(jì)了這樣一種串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的協(xié)議原型,可完成基本的通信需要。它的特點(diǎn)是協(xié)議開銷和