基于RocketIO接口的高速互連應用研究與實現

摘要：在此立足于嵌入式應用的背景，在理解RapidIO協議和Fibre Channel協議的基礎上，通過對嵌入在FPGA內的RocketIO高速串行收發器工作原理的研究，結合某信號處理接口模塊的實際應用，在系統內實現RapidIO接口功能，在系統間實現Fibre Channle接口功能，總結出基于RocketIO接口的高速信號完整性設計的應用特點，并進行簡單的鏈路傳輸特性的測試，為高速互連系統的設計與研究提供了可靠的技術支撐。
關鍵詞：RocketIO；RapidI()；Fibre Channel；嵌入式應用

0 引言
近年來，多種新興的高性能互連技術相繼出現，如RapidIO，PCI Express，Fibre Channel和InfiniBand等，它們大都采用基于報文交換的點到點互連結構替代傳統并行總線結構，提供了高帶寬、低延遲、可擴展的I／O互連，很大程度上克服了傳統并行總線結構的種種弊端。其中RapidIO屬于系統內部互連技術，主要針對高性能嵌入式系統內部互連，它可以作為處理器總線、本地I／O總線，還可以跨越背板連接處理器、存儲器和外部設備。RapidIO技術被定義為一種高性能，低引腳數，基于報文交換的互連體系結構，能廣泛滿足嵌入式系統應用的需求，支持芯片到芯片和板到板之間的互連技術。光纖通道(Fiber Channel，FC)是一種高速串行傳輸協議，具有高帶寬、高實時性、高可靠性、擴展性好、傳輸速率高、抗干擾性強、拓撲結構和服務類型靈活、支持多種上層協議和底層傳輸介質等特性，且可以在一路傳輸線上實現高達2．5 Gb／s的速率，具有相對于萬兆以太網，PCIe更高的傳輸速率。
在嵌入式應用方面，主流的FPGA中都已對差分信號提供了硬件支持，并且在片上集成了固化的Rocket IO模塊，以提供高超高速的串行通信支持。RocketIO位于數據傳輸協議的物理層，用以實現最基本的數據通信環境。
本文從Xilinx的Virtex5系列FPGA的RocketIO高速串行收發器的工作原理入手，分別闡述了在一片FPGA上利用RapidIO協議和Fibre Chan nle協議實現高速信號傳輸的方法，并分析了RocketIO接口在硬件設計上需要注意的問題。

1 RocketIO介紹
RocketIO為FPGA中內嵌的硬核資源，是一種高速串行收發器，采用兩對差分線來進行數據的發送和接收，可以實現兩個單工或一對全雙工的數據傳輸，通信碼率可以達到600 Mb／s～3．125 Gb／s。RocketIO收發器發送和接收串行差分信號，工作于2．5 V的直流電壓下，采用CML(Current Mode Logic)模式，內部帶有50 Ω或75 Ω的匹配電阻，采用串行數據收發，可以在高頻條件下很好地避免數據間的串擾。

RocketIO收發器結構如圖1所示，主要包括PMA和PCS兩個子層，PMA子層中集成了SERDES，發送和接收緩沖，時鐘發生器及時鐘恢復電路。SERDES是一個串并轉換器，負責FPGA中本地的32位并行數據(也可以是16位或8位)與Rocket IO接口的串行數據之間的轉換。時鐘發生器及時鐘恢復電路用于將時鐘與數據綁定發送及將時鐘從接收到的數據流中恢復出來，從而避免了在高速傳輸條件下時鐘與數據分開傳輸所帶來的時鐘抖動等問題。PCS子層負責8 b／10 b編碼解碼和CRC校驗，并集成了負責通道綁定和時鐘修正的彈性緩沖。8 b／10 b編碼可以避免數據流中出現連0連1的情況，便于時鐘的恢復。通道綁定通過在發送數據流中加入字符來將幾個RocketIO通道綁定成一個一致的并行通道，從而來提高數據的吞吐率。彈性緩沖可以解決恢復的時鐘與本地時鐘不一致的問題，并進行數據率的匹配，從而使得通道綁定成為可能。

2 RocketIO在高速信號互連中的應用
以某信號處理模塊FC接口板卡為例，該模塊是一種高性能、具有高速串行接口、采用統一互連網絡的通用信號處理接口模塊，信號傳輸速率達到幾千兆位每秒，這時就需要具有足夠高傳輸速率的信號傳輸機制對信號進行轉發。實現與主機板卡通信時，采用RapidIO傳輸協議；實現系統網絡間通信時，則可使用FibreChannle光纖通信協議。而RocketIO對多種高速傳輸協議的支持，可以使得RapidIO協議、Fibre Chan nle協議在同一片FPGA內實現，提高了系統的集成度，并使得信號的處理機制更加靈活。在本文的設計中，以Xilinx的Virtex5系列FPGA為平臺，采用了RapidIO傳輸協議來實現與主機板卡的通信，采用Fibre channle協議來實現系統網絡間通信。本文涉及的接口模塊架構如圖2所示。