劉光祖??，張強，仲雅莉

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京210014）

基于RapidIO協(xié)議的光纖通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)?

劉光祖??，張強，仲雅莉

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京210014）

為了滿足嵌入式系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，提出了一種基于RapidIO協(xié)議的光纖通信系統(tǒng)解決方案。利用光模塊實現(xiàn)光、電信號的轉換，高速收發(fā)器實現(xiàn)物理層協(xié)議，現(xiàn)場可編程門陣列芯片實現(xiàn)邏輯層協(xié)議。測試結果表明，所提方案成本低，性能可靠，數(shù)據(jù)吞吐率達到1.25 Gb／s。該方案已成功應用于電子不停車收費系統(tǒng)中。

光纖通信；高速收發(fā)器；嵌入式系統(tǒng)；電子不停車收費

1 引言

近年來，隨著嵌入式多核處理器的涌現(xiàn)以及處理器主頻的迅速提高，嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率越來越高，對寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍絹碓狡惹?。由于光纖通信具有通信容量大、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，使其從多種通信方式中脫穎而出，成為寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的首選。光纖通信可以采用多種協(xié)議來實現(xiàn)，如RapidIO、PCIE（Peripheral Component

Interconnect Express）和以太網(wǎng)。RapidIO最大的優(yōu)勢在于其專門應用于嵌入式系統(tǒng)，與以太網(wǎng)復雜的多層協(xié)議相比，其協(xié)議更為簡單，占用的系統(tǒng)資源更少；與PCIE相比，RapidIO支持多種類型的拓撲結構，靈活性更強。正因為這些獨有的優(yōu)勢，使得RapidIO協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。

本文提出了一種基于RapidIO協(xié)議的點對點光纖通信系統(tǒng)，系統(tǒng)包括SFP（Small Form-factor Pluggables）模塊、高速收發(fā)器和現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）3部分。SFP模塊實現(xiàn)光、電信號的轉換，高速收發(fā)器實現(xiàn)RapidIO物理層協(xié)議，參考RapidIO的請求-響應機制，在FPGA中實現(xiàn)了邏輯層協(xié)議。本方案的優(yōu)點是能最大限度地降低FPGA資源的使用，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

2 RapidIO技術

RapidIO技術是具有可擴展性的、基于包交換的新型互連技術，它是專門應用于無線應用框架、邊緣網(wǎng)絡、科學、軍用和工業(yè)市場的高性能網(wǎng)絡結構。如圖1所示［1］，RapidIO協(xié)議分為3層，即邏輯層、傳輸層和物理層。邏輯層定義了一系列的I／O邏輯操作。傳輸層就是系統(tǒng)級的尋址，這個傳輸規(guī)范獨立于任何RapidIO物理層或邏輯層規(guī)范，在使用器件ID作為系統(tǒng)級尋址方案的基礎上，RapidIO幾乎可以支持任何系統(tǒng)拓撲結構［2－3］。串行物理層包括物理編碼子層（Physical Coding Sublayer，PCS）和物理媒介附屬子層（Physical Media Attachment，PMA），進行對包的分析和定界。

圖1RapidIO協(xié)議層次結構Fig.1 The hierarchy structure of RapidIO protocol

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體架構與硬件設計

系統(tǒng)的整體架構如圖2所示，上層協(xié)議由FPGA邏輯實現(xiàn)，RapidIO物理層主要由可配置的高速收發(fā)器實現(xiàn)，高速收發(fā)器串行輸出和輸入分別為一對差分信號，通過交流耦合與SFP光模塊相連，SFP光模塊為收發(fā)一體模塊，完成電信號和光信號的相互轉換。

圖2 系統(tǒng)整體架構Fig.2 Architecture of the entire system

FPGA選擇Altera公司的Cyclone IV GX系列，提供更低的功耗和更低的成本，由于GX系列內部集成收發(fā)器，簡化了PCB設計，縮小了PCB面積。電路板布局簡圖如圖3所示，5 V電源輸入產(chǎn)生1.2 V、2.5 V和3.3 V 3個輸出電壓，其中1.2 V供給FPGA的核電壓和收發(fā)器，2.5 V供給收發(fā)器，3.3 V供給FPGA的I／O電壓和SFP光模塊。光模塊對電源要求較高，電源上的雜波將影響激光驅動器的輸出波形，導致眼圖變差，甚至不能正常通信，而且光模塊的接收端是小信號處理電路，很容易受到外界的干擾，潔凈的電源有助于提高接收靈敏度。所以，必須合理地設計電源濾波電路。在光模塊的電源接入端放置一個至少10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電源與地之間放置一個0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。時鐘和配置調試部分中，50 MHz有源晶振為FPGA提供用戶時鐘，時鐘芯片產(chǎn)生的156.25 MHz差分時鐘用于收發(fā)器的工作時鐘，配置則采用JTAG＋AS的配置方式，調試電路是RS232串口調試。另外，圖中512 Mb容量的SDRAM提供數(shù)據(jù)存儲，接插件提供與上位機的交互操作。

圖3 硬件電路板結構圖Fig.3 Diagram of hardware circuit board

3.2 光模塊與高速收發(fā)器接口設計

本系統(tǒng)采用的光模塊接口電平標準為PECL或LVPECL，Cyclone IV GX高速收發(fā)器輸出支持1.5 V PCML電平標準，輸入支持1.4 V PCML、1.5 V PCML、2.5 V PCML、LVDS和LVPECL電平標準。由于交流耦合可以減少光模塊與其他芯片之間偏置電位上的牽連，耦合方式使用交流耦合。光模塊輸出提供LVPECL電平標準，而收發(fā)器輸入支持LVPECL電平的交流耦合。如圖4所示，光模塊輸入端差分信號擺幅VOD支持200～1 100 mV，而收發(fā)器輸出端VOD可配置為從400 mV到1 200 mV 6個等級，默認配置為800 mV即可。

圖4 差分信號波形Fig.4 Waveform of differential signal

3.3 高速收發(fā)器

如圖2所示，Cyclone IV GX高速收發(fā)器由PCS和PMA構成。發(fā)送通道PMA負責將并行信號串化為比特流，接收PMA在把串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)之前要先進行時鐘數(shù)據(jù)恢復，從而產(chǎn)生接收并行數(shù)據(jù)所需的時鐘信號。發(fā)送通道PCS首先要經(jīng)過一個FIFO補償FPGA內核和發(fā)送通道PCS之間的相位差，這是因為收發(fā)器所需的時鐘要求較高，外部輸入的參考時鐘會經(jīng)過收發(fā)器專用的鎖相環(huán)電路產(chǎn)生收發(fā)器所需的各個時鐘（低速的并行數(shù)據(jù)時鐘和高速的串行數(shù)據(jù)時鐘），經(jīng)過相位補償FIFO，就能保證收發(fā)器內并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)保持高度同步。PCS內的8b／10b編碼器是RapidIO協(xié)議所規(guī)定的部分，它將8 b的數(shù)據(jù)編碼為10 b的數(shù)據(jù)，一方面平衡了位流中0與1的個數(shù)即直流平衡，另一方面，編碼后的10 b可分為數(shù)據(jù)字和控制字。接收通道PCS就是利用控制字K28.5（RapidIO協(xié)議所規(guī)定）進行字節(jié)同步，然后8b／10b解碼后同樣經(jīng)過相位補償FIFO進入FPGA。在Quartus II軟件中調用ALTGX IP核，可以配置收發(fā)器各種參數(shù)，本方案輸入?yún)⒖紩r鐘為50 MHz，位寬為8，輸出串行數(shù)據(jù)率為1.25 Gb／s。

3.4 FPGA邏輯功能

由于是點對點的通信，RapidIO的傳輸層和邏輯層占用過多的資源，本方案在參考RapidIO協(xié)議的基礎上，自定義了基于發(fā)送和響應的上層協(xié)議，在保證可靠性的前提下占用最少的資源，將更多的資源留作其他的信號處理功能。如圖5所示，上層協(xié)議可以分為3個模塊。

圖5 上層協(xié)議結構Fig.5 Structure of the upper layer protocol

3.4.1 收發(fā)器復位時序

為了保證收發(fā)器正常穩(wěn)定地工作，除了良好的電源和時鐘外還需要對其進行合理的復位操作。收發(fā)器一共有4個復位信號，pll－areset信號用于復位收發(fā)器內部鎖相環(huán)電路，tx－digitalreset信號用于復位發(fā)送PCS內部的數(shù)字邏輯電路，rx－digitalreset用于復位接收PCS內部的數(shù)字邏輯電路，rx－analogreset信號用于復位接收通道的時鐘恢復電路。收發(fā)器復位時序如圖6所示，首先同時拉高4個復位信號，pll－areset拉高至少1μs，pll－locked變高時立即拉低tx－digitalreset，busy變低后至少兩個并行時鐘拉低rx－analogreset，rx－freqlocked變高后至少4μs拉低rx－digitalreset，至此結束復位時序。

圖6 收發(fā)器復位時序Fig.6 Reset timing of transceiver

3.4.2 發(fā)送模塊設計

圖5所示，發(fā)送模塊包括發(fā)送時序控制、循環(huán)冗余校驗（Cyclical Redundancy Check，CRC）校驗值產(chǎn)生和發(fā)送緩沖區(qū)3個部分。

發(fā)送幀格式如圖7所示。同步字、幀頭和幀類型字段各占用一個字節(jié)，其中同步字為上文提到的K28.5，即0xBC，幀頭為0xFB（參考RapidIO協(xié)議），幀類型包括控制幀、控制響應幀、數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)響應幀4種，對應的值分別為0x02、0x07、0x01、0x06，控制響應幀和數(shù)據(jù)響應幀都屬于響應幀，也可分為數(shù)據(jù)幀、控制幀和響應幀3種；數(shù)據(jù)長度字段占用2個字節(jié)，其值為數(shù)據(jù)長度字段和數(shù)據(jù)字段的總字節(jié)長度；CRC字段占用2個字節(jié)，其值為數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)的CRC-16校驗值；幀尾字段占用一個字節(jié)，為0xFD（參考RapidIO協(xié)議）?？刂茙晚憫獛瑳]有數(shù)據(jù)長度字段、數(shù)據(jù)字段以及CRC字段。

圖7 發(fā)送幀格式Fig.7 Format of send frame

發(fā)送程序流程圖如圖8所示，當發(fā)送模塊檢測到“發(fā)送有效”信號的上升沿時，啟動發(fā)送流程。發(fā)送模塊首先判斷幀類型，根據(jù)幀類型來選取不同的組幀的方式。對于數(shù)據(jù)幀來說，發(fā)送緩沖區(qū)的前兩個字節(jié)存放了待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，發(fā)送模塊根據(jù)這個長度信息完成數(shù)據(jù)幀的組幀。組幀的同時，產(chǎn)生CRC校驗值，并利用延時模塊配合發(fā)送的時序，使得數(shù)據(jù)字段與CRC校驗值字段準確拼接。對于控制和響應幀來說，由于沒有實際數(shù)據(jù)，只需簡單地組幀即可完成發(fā)送流程。發(fā)送完成后會通知總控制模塊并返回空閑狀態(tài)，此時發(fā)送模塊的所有相關寄存器清零，等待下一次的“發(fā)送有效”信號。

圖8 發(fā)送程序流程圖Fig.8 Flowchart of send program

3.4.3 接收模塊設計

如圖5所示，接收模塊包括接收時序控制、CRC校驗和接收緩沖區(qū)3個部分。

接收程序的流程圖如圖9所示，在接收使能的情況下，只要檢測到幀頭0xFB便開始接收數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)幀，首先計算幀長度，根據(jù)接收數(shù)據(jù)長度并將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，同時開始CRC校驗，若CRC校驗正確，則完成接收，若CRC校驗錯誤，則通知總控制模塊，返回空閑狀態(tài)。對于控制幀和響應幀，無需其他處理即可完成接收。接收完成后接收模塊會發(fā)送響應的信號通知總控制模塊，此時接收模塊清零相關寄存器的值并返回空閑狀態(tài)。提供與外部模塊接口的模塊。細分下來，主要有如下幾大功能。

圖9 接收程序流程圖Fig.9 Flowchart of receive program

（1）外部發(fā)送信號響應

除了對發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，總控制模塊負責所有對外的輸入接口，外部所有的發(fā)送需求全部通過總控制模塊“翻譯”給發(fā)送模塊。

（2）對外輸出信號發(fā)送

除了從接收緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)，總控制模塊負責所有對外輸出接口，如發(fā)送是否完成、是否接收到遠端的響應和是否超時等信息。

（3）超時重傳

總控制模塊內有超時計數(shù)器，一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送時開始計數(shù)，正確接收到這個幀對應的響應幀時停止計數(shù)并清零，否則產(chǎn)生超時信號并重傳這個幀。

（4）控制接收使能

接收模塊接收數(shù)據(jù)時必須保證之前接收到接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已經(jīng)被上位模塊讀取完畢，否則會導致錯誤。因此，總控制模塊控制接收使能，在上位模塊讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)時停止接收模塊接收數(shù)據(jù)，讀取完成后繼續(xù)使能接收模塊，即是起到了保護接收緩沖區(qū)的作用。

（5）優(yōu)先級控制

總控制模塊不可避免的會同時收到多個發(fā)送需求，可能是外部需求也可能是內部需求，總控制模塊必須一個不落的響應它們并解決沖突，所以總控制模塊需要給每一種發(fā)送需求定義優(yōu)先級。在這里，總控制模塊并不是立刻響應外部或者內部的發(fā)送需求，而是把它們放入發(fā)送等待區(qū)，只有在發(fā)送模塊空閑時才去發(fā)送等待區(qū)響應優(yōu)先級最高的發(fā)送需求。

本方案的邏輯層協(xié)議規(guī)定，發(fā)送方必須接收到接收方正確接收數(shù)據(jù)幀的響應，即完成一次成功通信的握手才能發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，這樣的通信方式在滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求下，是最為簡單穩(wěn)定的。

4 測試結果

3.4.4 總控制模塊設計

總控制模塊是控制發(fā)送和接收模塊合理工作并

由于是點對點通信，本方案自定義了上層邏輯以節(jié)省FPGA的邏輯資源，綜合結果顯示，在EP4CGX110中，帶有三層協(xié)議的RapidIO的IP核占用8%的邏輯資源，而本方案占用邏輯資源僅為4%。

圖10和圖11為SignalTap軟件在時鐘頻率125 MHz抓取的數(shù)據(jù)。圖10所示為一個完整的發(fā)送過程，“txvalid”信號上升沿指示開始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)按圖7所示的幀結構組幀，同時和CRC數(shù)據(jù)時序相配合。圖11所示為在接收到數(shù)據(jù)幀并且CRC校驗正確后（“crcvalid”變高時“crcbad”為低）會發(fā)送一個對應的響應幀。

圖10 發(fā)送時序圖Fig.10 Diagram of send timing

圖11 接收時序圖Fig.11 Diagram of receive timing

為測試光纖通信系統(tǒng)的性能，兩塊光通信板通過200 m的光纖連接，兩邊同時循環(huán)發(fā)送1 kB的數(shù)據(jù)，超時時間設置為0x11FF（為正常通信最長時間的3倍），測試時間為24 h。結果顯示兩邊超時均沒有發(fā)生，說明此系統(tǒng)有較強的可靠性。

光纖通信系統(tǒng)實物如圖12所示，通過接插件架在上位機板上與之連接，光纖通信協(xié)議是對上位機不可見的，上位機只需通過簡單的接口即可讀寫光纖收發(fā)的數(shù)據(jù)。

圖12 光纖通信系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.12 Picture of the optical fiber communication system

5 結束語

本文實現(xiàn)的光纖通信系統(tǒng)已應用于電子不停車收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）中，也可應用于其他要求大帶寬、高可靠性、遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中，具有一定的普適性。本方案的優(yōu)點是實現(xiàn)成本低，性能可靠，數(shù)據(jù)吞吐率達到1.25 Gb／s。如今的雷達與通信系統(tǒng)中，信號處理的數(shù)據(jù)量越來越大，所需的FPGA資源越來越多，本系統(tǒng)在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定快速的同時，還能最大限度地降低FPGA的資源占用，為信號處理留出更多的資源。

今后的研究重點是組建基于RapidIO協(xié)議的光纖互連網(wǎng)絡，通過交換設備實現(xiàn)一個星型的互連系統(tǒng)。在本文的基礎上，還要加入傳輸層協(xié)議［4］和更加復雜的邏輯層協(xié)議。

［1］史為民，施春輝，柴小麗，等.基于FPGA的RapidIO-FC轉接橋設計［J］.計算機工程，2010，36（19）：291－293. SHI Wei-min，SHI Chun-hui，CHAI Xiao-li，et al.Design of RapidIO-FC Switching Bridge Based on FPGA［J］.Computer Engineering，2010，36（19）：291－293.（in Chinese）

［2］施春輝，柴小麗，宋慰軍，等.基于SoPC的前端RapidIO接口設計［J］.計算機工程，2011，37（20）：239－245. SHI Chun-hui，CHAI Xiao-li，SONG Wei-jun，et al.Design of Front RapidIO Interface Based on SoPC［J］.Computer Engineering，2011，37（20）：239－245.（in Chinese）

［3］Fuller S.RapidIO：嵌入式互聯(lián)系統(tǒng)［M］.王勇，林粵偉，吳冰冰，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006. Fuller S.RapidIO：The Embedded System Interconnect［M］. Translated by WANG Yong，LIN Yue-wei，WU Bing-bing，et al.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006.（in Chinese）

［4］ZHANG Yong，WANG Yong，ZHANG Ping.Research on physical layer traffic management schemes in serial RapidIO interconnect［J］.Journal of China Universities of Posts and Telecommunication，2011（01）：64－69.

LIU Guang-zu was born in Jinan，Shandong Province，in 1978.He is now a lecturer and currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include communication signal processing and software defined radio.

Email：hilda2004＠163.com

張強（1988—），男，江蘇無錫人，2010年于南京理工大學獲學士學位，現(xiàn)為南京理工大學碩士研究生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

ZHANG Qiang was born in Wuxi，Jiangsu Province，in 1988. He received the B.S.degree from Nanjing University of Science and Technology in 2010.He is now a graduate student.His research interests include communication and information system.

仲雅莉（1987—），女，江蘇徐州人，2010年于南京理工大學獲學士學位，現(xiàn)為南京理工大學碩士研究生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

ZHONG Ya-li was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1987.She received the B.S.degree from Nanjing University of Science and Technology in 2010.She is now a graduate student.Her research interests include communication and information system.

Design and Implementation of a Fiber-optic Communication System Based on RapidIO Protocol

LIU Guang-zu，ZHANG Qiang，ZHONG Ya-li
（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China）

In order to meet the demands of high-speed data transmission in embedded systems，a fiber optic communication system solution is proposed based on RapidIO protocol.The conversion of the optical to electrical signals is executed by optical modules.The high-speed transceiver is employed to realize the physical layer protocol and Field-Programmable Gate Array（FPGA）is adopted to acheive the logic layer protocol.The test results demonstrate that the program is cost-effective and reliable.With the data throughput of 1.25 Gb／s，the proposed scheme has been successfully applied in an electronic toll collection（ETC）system.

fiber-optic communication；high-speed transceiver；embedded system；ETC

date：2012－11－09；Revised date：2013－03－14

??通訊作者：hilda2004＠163.comCorresponding author：hilda2004＠163.com

TN929.11

A

1001－893X（2013）07－0840－05

劉光祖（1978—），男，山東濟南人，講師，博士研究生，主要研究方向為通信信號處理、軟件無線電；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.003

2012－11－09；

2013－03－14