aurora协议要点

1、文献综述摘要本综述介绍了高速串行通信的现状，并简要介绍了 Aurora通信协议的特点, 发展和现状。着重介绍了 Aurora协议的原理，接口及应用等相关知识。关键词：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统中提高处理器的速度是改善系统性能的解决方案之一。高速缓存和更先进的处理器架构的使用。不断提高着微处理器的性能，但研究表明处理器总线频率的增长速度相对处理器内核性能的增长速度较慢，且两者之间的差距正在不断扩大。处理器速率的提高无助于改进处理器和外设芯片之间的 连接或多处理器系统中多个处理器间的连接。传统的分层共享总线已无法满足未 来高性能嵌入式系统的I/O性能

3、需求和快速高效的信号处理和数据传输。系统互 连，即系统内的不同组件之间彼此通信的速率，已成为制约嵌入式系统性能提高的瓶颈5。当前，在系统级互连设计中，高速串行I/O技术迅速取代传统的并行I/O技术正成为业界趋势。高速串行I/O技术能够带来更高的性能、更低的成本和 更简化的设计。人们已经意识到不论是单端并行I/O还是差分并行I/O ,发展到今天都已经达到了它们的物理极限，无法为超过1 Gbit/s的数据速率提供可靠而低廉的实现方法。高速串行I/0技术的发展克服了并行I/O的速度瓶颈，被越来 越广泛地应用于各种系统设计中，包括PG消费电子、海量存储器、服务器、通 信网络、工业计算和控制、测试设备等

4、。迄今业界已经发展出了多种串行系统接 口标准，例如 PCIExpress、串行RapidIO、InfiniBand、千兆以太网、10Gbit/s 以太网XAUI、串行AT巡。高速串行I/O日益受到重视，Xilinx公司也推出了用于高速串行I/O的 Aurora协议。Xilinx公司的FPGA（现场可编辑门阵歹1J）芯片中内置了 RocketIO 收发器，提供从400Mbp到83.2Gbps的传输速率。同时，FPG的于其灵活性和低 成本为高速串行接口的设计带来了很大的灵活性。二、Aurora 协议1. Aurora 简介Aurora协议是由Xilinx公司提供的一个开放、免费的链路层协议，可以用

5、来进行点到点的串行数据传输，具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易 用的特点。Aurora允许器件之间以下图所示的方式通过多个MGT!道绑定完成通信。单个GTX!道可实现750Mbit/s-6.5Gbit/s 的通信传输，多个GTX!道的 组合可实现几十Gbit/s 甚至上百Gbit/s的通信传输。图1中，MG倒MG叱问 的一个链接被称为“弄”lUser Data|8B/10BEncoded DataUser Data DS69T_<J1_06117图1 aurora协议应用举例15Aurora通过为MG提供透明的接口而将其分装缩小，允许以太网和 tcp/ip等 专利技术和标准协议的

6、上层在其顶部运行并提供方便的访问。 Aurora核为用户提 供了一个透明的物理层接口，它支持任何上层私有的或符合工业标准的协议， 如 TCP/IP、Ethern- et 等。此易用、预定义的协议只需很少时间即可与现有的用户设计集成 12。但也存 在一些不完善的地方：aurora不具备地址机制，不能支持切换功能，没有规定数 据有效载荷内校正。2. Aurora 操作Aurora协议将复杂的RocketIO控制结构转化为简单的用户接口，而用户接口使用尽可能少的信号连接到用户的应用设计中，并提供一套LocalLink兼容的输A RX_Dftl5A RXREMA RXSOF_NA RX EOFNA R

7、X_SRC_RDY_N入输出信号来接收和发送用户数据，其接口信号如图2所示。TX_REMAtxsof_na LocolLinktxeof_n InterfaceTX_SR JRDEN "TX DSTRDY_N 图2 Aurora核的用户接口在数据传输过程中，用户通过控制信号才$制协议引擎完成如下操作：封装/解封装数据并使其在串行通道中传输；暂停数据传送（插入空闲状态）。协议引擎中的发送帧将待传输的数据封装在通道协议数据单元（PDU）中。对我们使用的Aurora协议引擎来说，一个串行通道就由1个“弄”组成。这里，“弄”是设计 中每个MGT数据路径标识。插入空闲状态的目的是为了填充“弄”

8、来完成字边 界对齐。图2中的REM、线（data remainder bus）用来表示在PD上送最后一个数据期间有效的字节数。实际的字节数等于 REM、线的值加1。用户可以根据设计需要改变通道PDU勺长度，它反过来也影响数据传输的效 率。更长的PDUT以实现更高的传输效率，但同时也降低了传输的可靠性。用户 可通过控制 TX_ SOF_N0TX_EOF_W«®ft PDU：度。在传输过程中，用户可复位TX_SRC_RDY_来产生数据停顿。在停顿期间, 发送器发送空闲序列。重新置位TX_SRC_RDY_Nft可以恢复数据传输，用户可无 限制地插入停顿。接收帧的功能与发送帧相反，

9、将数据从“弄”中提取出来。在接收过程中,PD的定信号；从“弄”协议引擎自动完成以下功能：检测和丢弃控制字节；置位 中恢复数据；重新装配数据并送往 RX_DQ 31总线。3. Aurora的流控机制Aurora 支持可选的数据流量控制，以防止由于双方源端和宿端速率不同而 造成的数据丢失。Aurora支持两种流控机制：故有流量控制(Native Flow Control )和用户流量控制(User Flow Control )。固有的流量控制：NFCM乍有两个状态机控制：tx和rx。RX犬态机将空rx fifo的状态。当有溢出危险时，它会生成 NFC pdu,要求对方在特定的时间内暂 停传输用户p

10、du。Tx状态机通过在要求的时间内等待予以相应，从而使 rx fifo 从一处状态恢复。发送NFCS求的同时，tx状态机营销出任何往返延迟。理想状 态下，NFCS求在接收吊o溢出前发出。您可以将NF第停设置为0到256,最大暂 停为无限。NfC暂停止是非累积的，新的NF3覆盖旧的值12。用户流量控制：用户无需等待数据的结束，即可发送UFCS息UFC!息与普 通的数据共享数据通道，但有更高的优先级。UFC肖息由用户自定义和解析。4. Aurora的核参数5. 表1.核参数Biwi支持的值W在通道中应用的GTP/GTX攵发器Virtex-5的数量GTP/GTX: 1至I 16Virtex-6 设备

11、 GTX: 1 到 16 Spartan-6 设备 GTP: 1, 2, 4表1核参数(续)参数描述弄宽度Virtxe-5 FPGA GTP收发器在核心中设置使用2字节构造数据。Virtex-5/Virtex-6 FPGA GTX 收发 器和 Spartan-6FPGA GTP攵发器设置使用2字 节和4字节SERDES方向CORGenerator软件生成的通道的类型，可以是全双工的，单一的 TX方向，单一的RX方向，或是在一 个GTP/GTX收发器上设立两个单独 的单一的模块（一个用于 TX, 一个 用于RX）后通道核Aurora 8B/10B心有两种单一的后通道： Siderbands:通过

12、对方发送的 Siderbands设置单一 TX状态转换 Timer:不同于 Siderbands,在 初始化时通过内置的计时器完成单 一 TX状态转换支持的值Virtex-5 设备GTP: 2字节GTX: 2/4 字节Virtex-6 设备GTX: 2/4 字节Spartan-6 设备GTP: 2/4 字节Full-DuplexSimplex-TXSimplex-RXSimplex-BothSidebandsTimer表1核参数（续）参数描述支持的值流控制流控制的使能。有两种类型：None自带流控制（NFC： NFC使全NFC Immediate双工接收器可以控制输入数据的速NFC Compl

13、etion率。完成模式，当帧完成时，NFC强UFC制空值。立即模式，一旦流控制信息UFC 和 NFC到达，NFC强制为空值。Immediate 用户流控制（UFC ： UFC使应UFC 和 NFC用程序可以通过通道相互发送简短Completion的高优先级的信息接口用户可以指定一到两种接口：Framing （本地连 数据帧：用户数据帧接口是本接）地连接适应的。初始化后，数据帧可Streaming以通过Aurora通道发送。用户数据帧接口倾向于更大，因为有广泛的包 容宇队列和无逻辑控制特征。 数据流：用户数据流接口使得用户可以开启一个单独的无界限的数据帧。初始化完成后，用户通过一个简单的寄存器接

14、口和一个空值信号向数据帧中输入数据。表1核参数（续）参数描述支持的值线速率线速率规定了收发器工作时的Virtex-5设备速度。该参数与 Aurora 8B/10B核心 GTP收发器:500 的性能有关。好的性能会有更高的线Mbps到3.75 Gbps速率。详细介绍请参考 LogiCORE IP GTX收发器:50 Aurora 8B/10B v5.1 User Guide Mbps 至U 6.5 GbpsVirtex-6 LXT/SXT设备GTX收发器:750Mbps 至 U 6.5 GbpsVirtex-6 CXT 设备GTX收发器:750Mbps 至 U 3.75 GbpsVirtex-6

15、 LowerPower设备GTX收发器:750Mbps 至 U 5.0 GbpsSpartan-6 设备GTP收发器:614Mbps 至 U 3.125 Gbps表1核参数（续）参数描述支持的值收发器参考时CORE Generator软件根据参考根据选择的线速率钟频率参数值设置以下设备的参考时钟速和下列设备可用的时钟率 Virtex-5, Virtex-6, and乘法器设置合适的速Spartan-6 FPGAs.率：详细介绍请参考LogiCORE IP ? Virtex-5 FPGAAurora 8B/10B v5.1 User Guide 。 GTP/GTX收发器? Virtex-6 FP

16、GAGTX收发器? Spartan-6 FPGAgtP攵发器收发器参考时可以根据种种专用和非专用的Virtex-5 设备:钟时钟网络赋予GTP/GTX收发器一个参考时钟。如何为应用程序选择一个GTPD/GTXD clocksVirtex-6 设备：最佳的参考时钟网络，详细介绍请参 考 LogiCOR日P Aurora 8B/10B v5.1 User Guide 。GTXQ clocksSpartan-6 设备:GTPD clocks表1核参数（续）收发器放置CORGenerator软件提供了一个图形接口使用户可以为特殊的GTP/GTX任彳GTP/GTX收发器的联合汝H".启殄3 I

17、ne Virtex-5 FPGA RocketIO GTP Transceiver User Guide, Virtex-5 FPGARocketIO GTX Transceiver User Guide, Virtex-6 FPGA GTXTransceivers User Guide, 和Spartan-6FPGA GTPTransceivers User Guide 以及GTP/GTX攵发器放置指导方针寻找最住方式5. Aurora 的应用Aurora是一种简单的可扩展的开放协议，支持各种各样的应用。如下所示：芯片间通信：使用高速穿行总线代替芯片间的并行总线，可以大大减少pcb布线复杂程

18、度和布线层数。板间通信：aurora使用标准的8b/10b编码，使得aurora可以与很多现 有的标准兼容。而且，aurora的数据传输率和通道个数都是可选的，使 aurora 更加方便用户。简单的单向模式：在有些应用中，并不需要双向的通信，只需要单向的高速 通信。Aurora协议提供了多种方式，只配置单相通路，以节省资源。ASIC : aurora不仅仅应用与FPGAS计，还可应用于ASIC设计中。Aurora的简单性使得它在FPGAF口 ASIC中都可以只占用很少的资源三、结束语简单易用的Aurora协议由于其可扩展性，可以被广泛应用在各个领域， 为新一代通信及数据网络应用提供了一个可靠的解决方案，虽然不是最好的，但相信随着技术的发展，Aurora还会不断进步在更多的场合绽放出耀眼的光彩。参 考文献1冯华亮，串行RapidlO :高性能嵌入式互连技术 J;今日电子-2007年期：802王勇，林粤伟，吴冰冰等译，RapidlO嵌入式系统互连M,电子工业出版社，2006: 203陈剑波，RapidlO总线技术的研究J;计算机与网络-2005年9期：484 RapidIO Trade Association , ISO/IEC D