高速数据传输系统的设计与实现

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 高速数据传输系统的设计与实现 摘要：随着高分辨率遥感器和空 间飞行器数据量和传输带宽的不断增大， 高速数据传输系统的设计与实现有着越 来越重要的意义。文章设计实现了基于 FPGA 的高速数据传输系统，该系统主 要包括光纤通信模块与 PCIe 通信模块。 采用光纤收发器与 FPGA 内部的 GTX 相连的方式完成光纤通信，对接收进来 的数据处理后通过 PCIe 总线传输给本 地计算机，从而完成整个系统的高速数 据传输。最后对系统进行了测试验证， 测试结果表明该系统具有高速、可靠、 稳定的特点，具有很好的实用价值。 中国论文网 /8/view-12737921.htm 关键词：数据传输 光纤通信 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 PCIe 总线 FPGA 中图分类号：TP274.2 文献标识 码：A 文章编号：1007-9416（2014） 01-0029-03 Abstract：Along with the development of high-resolution remote sensing satellite and spacecraft， researches on high-speed data transmission system are with great importance. This paper realized a high-speed data transmission system based on an FPGA chip. The system mainly contains two modules， the fiber optic communication module and the PCIe communication module. Fiber optic communication is realized by connecting the fiber transceiver with the GTX inside the FPGA chip. Data received by the fiber optic communication module is processed and transmitted to the computer through the PCIe bus. Finally， the system implemented and tested. Experiments results indicated that the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 system features high-speed， high- reliability and high-stability， and is with great applications. Key Words：Data Transmission Optical Fiber Communication PCIe Bus FPGA 随着导弹、雷达、空间飞行器所 产生的数据量和数据传输带宽的不断增 大，对具备高速数据传输处理能力的地 面系统的需求越来越迫切。地面系统必 须采用高速数据传输系统，提高数据传 输速率，才能满足对数据进行实时接收、 发送、存储和处理要求，确保任务的有 效执行。 本文研究了高速数据传输系统的 FPGA 实现，主要关键技术包括光纤通 信与 PCIe 通信的 FPGA 实现。光纤收 发器作为收发外部数据的通信接口， PCIe 总线把接收的数据传递给本地计算 机进行处理和分析，从而完成地面系统 的高速数据传输。 1 高速数据传输系统方案 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 由于数据带宽的日益增大使传统 的电通信技术受到了很大的挑战，而光 纤通信技术相较于电通信技术具有衰减 小、串扰小、抗干扰能力强等优点，因 此在高速数据传输领域中光纤通信技术 发挥着越来越重要的作用1-2。同时随 着数据传输速度的提高，PCIe 总线成为 FPGA 与计算机通信的主流方式。因此 本文基于 Xilinx 的 XC6VLX240T FPGA 芯片实现了地面高速数据传输系统，该 系统采用光纤通信技术和 PCIe 总线技 术，其原理框图如图 1 所示。 1.1 光纤通信的 FPGA 实现 由于基于 FPGA 进行的数字电路 设计具有可重新配置、易于修改等优点， 因此使用 FPGA 与光纤收发器结合的方 案是光纤通信系统的主流解决方案3。 本文使用 Xilinx Virtex-6 系列，型号为 XC6VLX240T 的 FPGA 与华为公司型 号为 HSFP-4250 封装为 SFP 的光纤收 发器共同完成光纤通信。 光纤收发器由光电子器件、功能 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 电路和光接口等组成，是一种将短距离 的双绞线电信号和长距离的光信号进行 互换的转换单元，通常也被称为光电转 换器。光纤收发器使用简单方便，其收 发端口与 FPGA 的 GTX 收发器对应的 端口直接相连，控制信号直接由 FPGA 控制，该光纤收发器同时收发的理论速 度高达 2.5Gb/s。 GTX 收发器是 Xilinx 公司在 Virtex-6 系列的 FPGA 内部集成的能实 现高速串行数据收发的模块。GTX 收 发器提供的数据线路速率从 600Mb/s 到 6.6Gb/s，可以支持各种物理层协议， 包括千兆以太网、光纤和 PCIe 等常用 接口协议。GTX 由 PMA（Physical Media Attchment，物理媒介适配层）和 PCS（Physical Coding Sublayer，物理编 码子层）两个子层构成，其中，PMA 子层主要用于串行化和解串，PCS 子层 主要包括线路编码和 CRC 校验编码， 其内部结构框图如图 2 所示4。 光纤收发器的接收和发送信号端 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 口直接与 GTX 收发器的发送端和接收 端相连，由于 FPGA 内部的 GTX IP 核 集成了各个功能模块以及光纤通信协议， 用户只需编写接口程序就能完成光纤通 信，降低了系统的开发难度。 1.2 PCIe 通信的 FPGA 实现 FPGA 芯片与计算机的通信是通 过 PCIe 总线来完成的，PCIe 作为第三 代 IO 总线标准，相较于前两代总线标 准，采用串行数据传输和点到点互连技 术，大大提高了总线传输带宽5。 本文使用 Xilinx 公司 Virtex-6 系列的 XC6VLX240T 芯片来实现 PCIe 总线6- 7，完成 FPGA 与计算机之间的通信， 其 PCIe 模块的结构框图如图 3 所示。 如图 3 所示，PCIe 模块包括物理 层、数据链路层、传输层以及配置管理 层四个模块，并对外引出系统接口、 PCIe 链路接口、配置接口和用户接口。 在本文的设计中通过对 PCIe 硬核进行 例化，IP 核完成数据包的组成、数据流 的控制管理，以及电源管理，误码检测， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 物理接口初始化，并串转换等。PCIe IP 核以自带的可编程输入输出 （Programmed Input Output，PIO）方式 访问系统内存中的存储器和配置空间， 从而完成数据通信。但是这种方式在数 据传输的过程中会导致 CPU 一直被占 用，传输速率慢、效率低，而使用 DMA（Direct Memory Access，直接内 存存取）总线传输方式可以很好的解决 上述问题8，因此 DMA 控制器的设计 是本系统的关键技术之一，其设计框图 如图 4 所示。 DMA 控制器通过 TX_Engine、 RX_Engine、FIFO 以及控 制状态寄存器等模块实现与 PCIe IP 核 的命令和数据传输。其中 TX_Engine 用 于组织和传输数据包，将产生的数据发 送到发送接口；RX_Engine 用于从接收 接口中接收数据；FIFO 主要用作数据 缓存；DMA 控制状态寄存器用来控制 DMA 的启动和指示控制器当前所处的 状态9。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 DMA 控制器通过基址寄存器完 成 FPGA 与计算机之间的状态、信息和 命令交换，主要包括 DMA 的启动命令、 传输起始地址、传输长度、传输过程中 的状态信息以及设备的版本号等。在实 际应用中，通过解析基址寄存器中的信 息或者命令，并将解析后的信息输入到 PCIe 模块中进行相应的操作10。 2 系统性能测试 为了验证本文设计的地面高速数 据传输系统的性能，设计了基于 PCIe 总线的 FPGA 板卡并搭建了系统测试平 台。如图 5 所示，本文使用两块板卡完 成系统的数据收发测试，高速数据传输 卡 A 作为数据发送设备，卡 B 作为数 据接收设备，两块板卡之间通过光纤收 发器进行数据传输。 2.1 PCIe 传输速度测试 PCIe 传输速度的测试方案：通过 运行在计算机上的上位机软件通过 PCIe 总线将递增数据文件发送给 FPGA 芯片， FPGA 芯片再通过 PCIe 总线将接收到 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 的数据发送给上位机软件，由上位机软 件存储到本地磁盘上，并将原始数据文 件与接收到的数据文件进行比对。经过 大量测试，在 PCIe 传输速率为 6Gbps 的情况下，数据传输完全正确、无误码。 2.2 系统整体测试 系统整体测试方案：上位机软件 读取本地计算机中的递增数据文件并发 送给高速数据传输卡 A，卡 A 通过光纤 收发器将数据发送给高速数据传输卡 B，卡 B 通过 PCIe 接口将接收进来的 数据发送给上位机软件，由上位机软件 进行存储，然后进行数据分析比对。由 于光纤收发器的理论上限速度为 2.5Gbps，所以设定 PCIe 的读写速度不 得大于 2.5Gbps。 本文根据上述方案对系统进行了 大量测试，图 6 为对发送文件和接收文 件中的数据的比对图，比对结果表明两 数据文件无差异，表明传输过程中数据 无误码。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 3 结语 本文从 FPG