基于SerialLite2协议数据传输方案验证

胡谨贤，王昆达，黎仁刚

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



基于SerialLite2协议数据传输方案验证

胡谨贤，王昆达，黎仁刚

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

采用SerialLite2协议与光纤传输相结合的方法对高速数据传输方案进行验证。通过实验完成该协议对三种不同类型数据的传输验证，验证结果表明该方法在传输带宽、线路误码率以及通道传输时延等方面能够达到预先设计指标，最后与Aurora协议进行比较，为其在后续工程中的应用奠定基础。

高速数据传输；SerialLite2协议；Aurora协议

0 引 言

随着数字接收机的瞬时带宽不断增大，系统接收的数据量呈几何级数增长，传统的数据传输方式已经很难满足不断扩大的数据规模对传输性能的要求[1]。高速串行收发器单路传输速率很高,所以可以允许很低的信噪比。由香农公式可知:

C=W×log2(1+SNR)

(1)

式中:C为信道容量;W为传输信道带宽;SNR为数据传输的信噪比。

当信道容量一定时，带宽W的增加可以允许链路较低的信噪比。 SerialLite2是Altera公司的第2代小型串行互联协议，适用于多种芯片至芯片、电路板至电路板和背板应用[2]。SerialLite2构建在SerialLite协议之上，实现对单工、不对称和广播数据流的最佳支持。在Stratix4GX FPGA中，将性能范围由622 Mbps扩展至10.2 Gbps，逻辑占用平均降低了60%，实现了成本最低的串行互联方案。其基本功能方面与Xilinx公司的Aurora协议类似，详情参考文献[2]、[3]。其典型功能连接方案如图1所示。

图1 SerialLite2连接功能方案

1 验证方案设计

这里基于Serialite2协议完成数据传输，并通过现场可编程门阵列(FPGA)内嵌逻辑分析仪Signaltap2、Transceiver Toolkit、示波器等手段去验证数据传输的性能与正确性。FPGA采用Altera公司Stratix4 GX EP4SGX230KF40，光电转换模块采用的是4路收发器一体光模块。验证方案框图如图2所示，数据传输通道由3条异步单工链路组成，每条链路均工作在6.25 Gbps的流模式。因工作在非同源时钟传输模式，设置发送端时钟补偿为100 ppm。每条链路分别发送不同种类的数据：链路1发送连续的16位计数值，该计数值由FPGA内部的计数器产生，该链路主要完成传输时延的测定以及验证连续数据流的传输质量；链路2发送时序信号，时序信号是一个占空比为50%的矩形脉冲，主要验证高速通道对时序信号的影响，即抖动与毛刺；链路3发送突发性报文数据。发送端数据产生器与接收端检测器的工作时钟均为250 MHz，由FPGA内置锁相环路(PLL)倍频产生。SerialLite2核的内部并行工作时钟为312.5 MHz，所以在逻辑资源与核接口之间采用先进先出(FIFO)完成时钟域转换。

图2 SerialLite2连接功能方案

2 数据传输性能测试

前期的链路环境测试采用Quartus2的内置插件Transceiver Toolkit完成，它主要完成线路误码率计算，同时还可以测绘接收端数据的眼图，其功能与Xilinx公司的IBERT核相似。经过分别对3条链路的环境测试，得到令人满意的结果，在无需做均衡与预加重的情况下，3条链路的误码率均在10-12量级，满足系统对高速数据传输的要求。

链路1发送端FPGA1内部设计1个16位的计数器作为数据发生模块，与此同时接收端FPGA2内部同样有一个计数器用于比对所接收到的数据，如果所接收的数据无误，2个计数器的差值应该恒定。

采用Quartus2自带的内嵌逻辑分析仪SignalTap2对相关信号进行抓取，结果如图3所示，可以看到接收端2个计数器差值信号Delay_cnt值始终为24保持不变，这表明计数值被正确地接收。

由2片FPGA工作在非同源时钟，需要采用单片自回环的方式测试线路延时，方法与Aurora协议的测试方法相同，这里只给出测试结果，SerialLite2协议的传输延迟为217 ns，其中收发器的时延为156 ns，收发两端FIFO的总时延为51 ns，相比Aurora协议总延时略低。

图3 链路1信号检测结果

链路2主要完成时序保宽脉冲的传输测试。发送端SerialLite2的接口位宽同样设置为16位，在数据的第16位与第1位插入2个占空比为50%的时序脉冲，中间14位均设置为0，即数据流将在8001与0000之间跳变。接收端SignalTap2抓取结果如图4所示，接收端FIFO输出的rx_fifo2_q信号正确运行在预定数据之上，数据中并无杂散出现，证明线路传输过程中无误码出现。下面将接收到的脉冲数据由FPGA管脚引出，通过示波器观察脉冲的边沿抖动情况，得到如图5所示的波形图，从图中可以看到脉冲的边沿稳定，不存在抖动情况，时序信号的频率、幅度、峰峰值等特质与发送端所测一致，证明了传输此线路的可靠性与稳定性，图中存在的尖峰是由于示波器未连同步地线造成的，与线路传输性能无关。

图4 链路2信号检测结果

图5 示波器脉冲波形图

链路3用于完成突发性报文的传输，与链路1不同的是信号并不是连续地发送，而是每隔80 ns发送1组16位的计数值，但是数据流的首尾分别添加报文头FFFF与报文尾EEEE，数据流持续时间为400 ns，接收端SignalTap2抓取结果如图6所示，从图中可以看到数据在SeralLite2核的接收端口进入，经过FIFO将部分带外数据滤除后，正确地恢复在FIFO的输出端，验证了链路能够有效传输突发性的报文数据。

图6 链路3信号检测结果

综合上面几个实验可得出:SerialLite2协议能够在较短的延时内有效地完成对连续数据流、时序信号、突发报文信号的有效传输并且能够保证信号的传输质量。

3 SerialLite2协议与Aurora协议性能比较

根据上述实验得到的SerialLite2协议的性能，将其与Xilinx公司的Aurora协议相比较，

Aurora协议的具体性能请参考文献[2]、[3]。

(1) 从调试的过程来看,Aurora协议需要准确理解底层的协议构建方式，这样才能最大限度地发挥Aurora协议的效能[4]，但是SerialLite2协议的制定则可以完全通过IP的制定完成，该方面最能够体现在单个收发器分别定制IP的问题上。

(2) 资源消耗方面,Aurora协议与SerialLite2协议同样属于轻量级协议，消耗的逻辑资源较少。

(3) 从协议基本功能上比较，两者实现的功能基本相当，都能够支持流与帧2种数据传输模式，所支持的速率范围也都随着器件等级有相应的变化；

(4) 在协议所支持的编码方式方面，Aurora协议有明显的优势,它能够支持8b/10b、64b/66b、64b/67b的编码方式，而SerialLite2协议只能够支持8b/10b与数据加扰的编码方式。

(5) 在线路传输延时方面，Aurora协议约为243ns，SerialLite2协议略低,约为180ns(测试条件均在单板自回环模式下，且包含收发两端的FIFO时延)。

(6) 在纠错机制方面，在帧模式下SerialLite2协议有错误重传的功能，Aurora协议只能够完成错误的检测，并不包含错误重传机制，但是两者在流模式下相同，均不包含该功能；

(7) 在通道绑定方面，SerialLite2协议有着不可忽视的缺点，在单工异步传输模式下，链路只能采用训练模式完成同步，并且不能够进行通道绑定，这就限制了数据传输带宽，Aurora协议则不存在上述缺点。

4 结束语

通过实验对Altera公司的SerialLite2协议进行验证，实验结果表明该协议能够满足对连续数据流、时序脉冲、间发性报文的正确传输，并测量出协议的传输延迟。最后将其与Xilinx公司的Aurora协议的性能进行对比，为后续工程上的选择提供了依据。

[1] 王长清,冀映辉,王维,蔡慧智.基于PCI-Express和Aurora协议高速光纤通信板卡的实现[J].微计算机应用,2010,31(1):64-68.

[2] 候春雷,唐碧华,胡鹤飞，等.基于Aurora协议的MAC层帧结构的设计与实现[J].中国科技论文在线，2010,5(1):58-61.

[3] 邓焰,戎蒙恬.基于FPGA的3.125Gbit/s串行通道设计实验[J].电子工程师,2004,30(11):16-18.

[4] 李林军,王勇.基于Virtex-5的串行传输系统设计与验证[J].电子设计应用,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