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1、开题报告电子信息科学与技术PCIe光纤卡设计及硬件测试一、选题的背景与意义现代通信技术正朝着高速、精确的方向发展，尤其是高速串行通信，逐渐成为通信技术的主流，在各行各业扮演着极其重要的角色。采用并行收发技术，可以有很大的数据吞吐量，尤其是再引入差分信号后，但在实际的设计中会遇到引脚数过多，依靠单一的增加引脚数的方法并不能满足使用的需求的问题。因此，在传输高速数据时，高速的串行链路一直是人们的优先选择和最终目标，它的优点很明显：速度快，所用的引脚少。这样，一个新的技术应运而生，千兆位高速接口技术，接收并行数据，在串行链路上进行大宽带传输。随着通信技术的进一步发展，总线从PCI和PCI-X发展到P
2、CI Express，结构发生了变化：PCI和PCI-X尚并行总线，而PCI Express是串行总线。中远距离的通信也由电缆通信发展到了光纤通信，信息的载体发生了变化。本课题就是在这个大背景下，根据用户的需求，设计一个用于连接光纤通道和PCI Express总线的高速数据转换接口卡，实现从光纤到PCI Express总线的高速互连。下面是对光纤通信和PCI-E总线的简单介绍。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介，利用光波在光导纤维中传播信息的通信方式。光纤通信容量大、传输距离远，一个光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需要一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送
3、完毕。光纤在传输信号是的损耗极低，在光波长为1.55um附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒介的损耗都要低，因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。除此之外，光纤还有信号串扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量佳；尺寸小、质量轻，便于敷设和运输等优点。光纤通信的众多优点使它从光通信中脱颖而出，成为现代通信的主要传输手段，在短短20多年的发展，已经历经三代，采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等国家已经宣布不再建设电缆通信线路，致力于发展光纤通信，我国的光纤通信已进入实用阶段。PCI Express（简称PCI-E）是由Intel，Dell，Compaq，
4、IBM，Microsoft等PCI SIG联合成立的Arapahoe Work Group共同草拟并推举成取代PCI总线标准的第三代高性能I/O总线技术。第一代总线包括ISA、EISA、VESA和微通道（Micro Channel）总线，而第二代总线包括了PCI、PCI-X和AGP。PCI Express是一种能够应用于移动设备、台式电脑、工作站、服务器、嵌入式计算和通信平台等所有周边I/O设备互连的总线。PCI Express体系结构继承了第二代总线体系结构最有用的特点，并且采用了计算机体系结构中新的开发成果。可贵的是，PCI Express与PCI和PCI-X系统是软件后向兼容的，也就是说
5、，不用修改当前的驱动程序和应用软件，PCI Express系统就可以启动现有的OS，甚至PCI/ACPI电源管理软件也仍将运行。将两台设备连接在一起的一个PCI Express互连称为一条链路，一个PCI Express连接可以被配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的数据带宽。x1的通道能实现单向321.5MB/s(2.5Gb/s)的传输速率，远远超出PCI总线的传输速率，成为高速计算机总线的重要组成部分。根据拟定的要求，在大容量存储设备和服务器之间开辟一条的高速数据通道，由于对传输速率和带宽由很高度要求，普通的传输通道无法满足要求，所以采用光纤通道进行传输。本课题的研究目的是
6、为光纤转PCI Express设计一款接口卡，实现高速数据高效稳定的传输。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：本课题的目的是为了实现从光纤到PCI Express总线的高速互连。传输中需要把信号从光纤信号转换为PCI Express信号，而且如此大量的，未经过压缩的数据传输要达到实时性和准确性，必须有高速接口设备才能实现。很多文献都有对基于PCI Express总线高速数据接口卡进行了设计和实现，他们的共同点是都用了可编程芯片和PCI Express总线接口芯片，而且在当时，都很好的达到了他们预期的目的，但由于使用的是不同的结构和芯片，结果也不尽相同，而且相差很悬殊。本课题是为了设计一个将P
7、CI Express总线和光纤相连的高速数据接口卡，由于对传输速度和带宽的要求很高，以前的设计方案无法满足要求，所以必须找到一种新的设计方案。本设计研究的基本内容就是根据课题要求是设计一个用于连接光纤通道和PCI Express总线的高速数据转换接口卡，采用Xilinx公司的Virtex-5 LXT FPGA为设计的核心。Virtex-5 LXT PCI Express Endpoint Block具有PCI Express的完整功能，完全符合了PCI-E基本规格V1.1版要求，作为FPGA内部的硬核，它是可配置的PCI-E端点解决方案，与RocketIO GTP收发器配合使用，在尽量少用FP
8、GA逻辑的情况下提供全面的PCI Express端点功能，并且支持x1，x2，x4和x8通道的实现。 需要解决的问题主要是利用Xilinx公司的Virtex-5 LXT FPGA完成数据由光纤信号向PCI Express总线的信号转换，高频环境下PCB的布局和布线以及设备的稳定性。三、研究的方法与技术路线： 基于Virtex-5设计的接口卡，考虑到数据传输的速率和带宽，本课题采用x8的PCI-E数据通道进行设计。根据FPGA不同模块所需要的电压和上电时间的不同，设计了与之相符合的电源模块。然后在不影响接口卡的整体性能，考虑到FPGA的高度灵活性，添加了一些备用的功能，最后根据整体的布局，设计出
9、基本的硬件框图，并根据硬件框图完成硬件的设计。一、 设计接口卡的硬件框图 接口卡硬件主要由主控FPGA模块、电源管理模块、光纤接口模块、camera link和同步422接口模块组成。硬件结构如图2所示。 图 1 PCI-E接口卡结构框图FPGA是整个设计的最关键部分，主要实现：PCI Express硬核以及各接口的数据转换，出于对功能和经济的考虑，这里选择Xilinx Virtex-5系列的XC5VLX50T芯片，封装形式为FF1136。 考虑到FPGA内部各个模块的工作电压以及上电时序、配置芯片XCF32P的工作电压和上电时序和其它外围芯片的工作电压，电源模块就变得极为重要。整个接口卡的电
10、源是由PCI-E接口提供,分别是为12V和3.3V，由于板卡里不同芯片的工作电压，采用TI公司PTH12000W、PTH05050W和PTH04070W进行电压的转化，如图2所示。而电源的时序则采用TI公司TPS3808进行控制。图 2 电源模块光纤模块采用FTIL8524P2BNV和PETLD03CXP1N两种接插件，可以根据不同的需要进行焊接；XCF32P是一款FPGA的配置芯片，用于存放FPGA的程序，因为FPGA断电时其所运行的程序便会消失，在每次通电后，FPGA都会首先载入XCF32P内的程序。同步422模块采用的RS422的电平标准进行数据传输，Camera link采用DS90C
11、R286芯片，该芯片与DS90CR285配对使用，只是前者用于接收端，后者用于发送端，以LVDS电平标准传输信号，和同步422共用一个接插件，主要作为接口卡的备用接口。二、 进行电路原理图、PCB设计，硬件调试及FPGA调试 根据系统结构框图进行电路原理图设计和PCB设计，确定好芯片封装和电容电阻的选择；确定板卡的规格尺寸及通孔的位置；对器件做整体的布局。完成后进行投板，然后进行板卡的硬件调试，最后编写VHDL程序，完成FPGA调试。四、研究的总体安排与进度：1、2010.112010.12 查阅电源模块资料及各芯片资料电源部分，完成电源设计方案；查阅Virtex5资料，了解Virtex5结构
12、，熟悉IO特性，学习Virtex5的外部配置电路，准备器件库；查阅时钟驱动芯片、光纤模块及接口驱动电路；2、2010.122011.1 完成开题报告，完成原理图设计；3、2011.12011.2 完成PCB设计；4、2011.22011.3 完成程序编写、硬件调试及FPGA的调试；5、2011.3.2011.4 完成上层控制软件调试；6、2011.4 撰写毕业论文；五、主要参考文献：1刘宁.基于PCI Express接口的高速数据传输系统的设计与实现D,2008.2Ravi Budruk，Don Anderson，Tom Shanley著.PCI Express系统体系结构标准教材M.北京：电
13、子工业出版社，2005.11.3Xilinx Virtex-5 datasheet，Virtex-5 FPGA Integrated Endpoint Block for PCI Express Designs User Guide UG197 (v1.5) July 22, 2009.4刘凯，徐欣. 基于Virtex5的PCI-Express总线接口设计OL. http:/ Express总线高速数据采集卡的设计与实现D.6吴建飞，吴佳，徐欣基于PCI Express总线的数据采集设备实现D.现代电子技术，2008.7徐君明，裴先登，王海卫，黄浩.高性能计算机IO技术PCI Express分析D计算机工程，2004，30.128MindShare，Inc，Ravi Budruk，Don Anderson，Tom ShanleyPCI Express System ArchitectureDAddison WesleySeptember 04，20039许军，李玉山PCIExpress总线技术研究D计算机工程与科学2006、510徐晓东，魏凤歧，李文下一代总线标准PCI ExpressD，内蒙古大学学报：自然科学版，2005、2
