CN115296743A - 光纤通信转接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤通信转接系统，包括光纤通信转接单元，所述光纤通信转接单元配置有光纤通信模块作为通信接口；光纤通信转接单元还包括：Aurora协议IP核模块，与光纤通信模块互联，用于将高速串行数据转化为低速并行数据流；用户逻辑模块，配置为状态机，与Aurora协议IP核模块互联；PCIe协议IP核模块，与用户逻辑模块互联，光纤通信转接单元与上位机之间通过PCIe协议IP核模块进行连接。该光纤通信转接系统作为高速数据传输接口，实现了高速数据传输。

Description

光纤通信转接系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光纤通信转接系统。

背景技术

超导设备是用于测量极端微弱信号，例如人体电磁场的微弱变化的设备。超导设备调试时需要记录的现场数据往往达到海量级数据，且要求数据能够实时地传输和处理，因此要求外部调试设备配置高速数据传输接口与主机高速数据传输。现有针对超导设备的调试装置通常采用PCIe总线和光纤通信技术相结合的数据传输系统，系统往往采用Aurora8B/10B、SFP模块，使系统可达到的最高性能有限，不能满足海量级测试数据高速传输的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种光纤通信转接系统，作为高速数据传输接口，与上位机实现高速数据传输。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光纤通信转接系统，包括：光纤通信转接单元，所述光纤通信转接单元配置有光纤通信模块作为通信接口；

所述光纤通信转接单元还包括：

Aurora协议IP核模块，与所述光纤通信模块互联，用于将高速串行数据转化为低速并行数据流；

用户逻辑模块，配置为状态机，与所述Aurora协议IP核模块互联；

PCIe协议IP核模块，与所述用户逻辑模块互联，

所述光纤通信转接单元与上位机之间通过所述PCIe协议IP核模块进行连接；

所述用户逻辑模块控制所述Aurora协议IP核模块处理后的数据流通过所述PCIe协议IP核模块传输至所述上位机，和/或

控制从所述上位机采集的数据从所述PCIe协议IP核模块发送至所述Aurora协议IP核模块。

可选的，所述Aurora协议IP核模块与所述用户逻辑模块之间还配置有：

FIFO模块，同时与所述Aurora协议IP核模块、所述用户逻辑模块互联，用于缓存经过所述Aurora协议IP核模块或者所述用户逻辑模块处理后的数据流。

可选的，所述用户逻辑模块还用于：

状态机在判断存在待接收数据需要接收时，进入接收状态进行数据接收，并将接收的数据写入所述FIFO模块缓存；

数据接收完成后，状态机在判断所述FIFO模块存在待发送数据需要发送时，进入发送状态进行数据发送。

可选的，所述光纤通信转接单元与上位机之间采用基于RIFFA可重用集成架构搭建PCIe进行数据传输，包括：

上位机端架构，用于提供上层驱动、协议库和用户使用端；

用户端架构，用于提供PCIe底层接口、数据发送接收接口、用户通道选择。

可选的，根据Vendor ID和Device ID匹配所述光纤通信转接单元；

匹配成功后，初始化所述光纤通信转接单元；

初始化成功后，在发送API接口与接收API接口配置PCIe的ID、传输通道、发送数组和数据长度。

可选的，上位机发送数据时，建立分散收集列表存储数据的地址和长度，并将分散收集列表的地址和要发送的数据长度信息发给所述光纤通信转接单元；

所述光纤通信转接单元读取分散收集列表的信息，发出相应地址和长度的数据读取请求，读取上位机发送的数据；

上位机接收数据时，建立分散收集列表存储数据存储地址和长度，并将分散收集列表的地址和要接收的数据长度信息发给所述光纤通信转接单元；

所述光纤通信转接单元读取分散收集列表的信息，发出相应地址的数据写入请求，将数据传输至上位机。

可选的，所述PCIe协议IP核模块配置为4通道。

可选的，所述光纤通信模块采用SFP+光纤通信模块。

可选的，所述光纤通信转接单元集成于FPGA开发板。

由以上方案可知，本发明的优点在于：

本发明提供的光纤通信转接系统，基于PCIe总线、Aurora光纤通信协议、光纤通信模块实现一种高速的串行通信转接系统卡。该板卡通过PCIe协议IP核模块和上位机连接，在板卡上通过Aurora协议IP核模块基于Aurora光纤通信协议将数据发送给光纤通信模块，光纤通信模块和外部设备连接，同时用户逻辑模块配置为状态机，控制与上位机的数据传输，实现了数据的远距离高速传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光纤通信转接系统的系统架构图；

图2为用户逻辑模块状态机的控制逻辑；

其中：

1-光纤通信转接单元；

11-光纤通信模块；

12-Aurora协议IP核模块；

13-用户逻辑模块；

14-PCIe协议IP核模块；

15-FIFO模块；

2-上位机。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

PCIe是一种采用点到点互联方式的串行总线，因其具有先进的系统架构、灵活的扩展性和超高的带宽，同时大大减少了制作成本，极其适应高速及实时性要求比较高场合。光纤通信因其可以实现百米级甚至千米级的数据传输，而且支持数吉比特的传输带宽，被广泛应用于PC与外设的高速通信中，目前的光纤通信模块速率已经达到10Gbps及以上。本发明实施例基于超导调试设备，研制跨平台光纤传输系统，系统基于FPGA平台的接口板卡，在FPGA平台上利用PCIe、Aurora协议和SFP光模块实现高速的数据传输。

具体的，参考图1所示，图1示出了本发明实施例提供的光纤通信转接系统的系统结构图。

一种光纤通信转接系统，包括：光纤通信转接单元1；

所述光纤通信转接单元1配置有光纤通信模块11作为通信接口；

此外，所述光纤通信转接单元1集成于FPGA开发板，具体还包括Aurora协议IP核模块12、用户逻辑模块13、PCIe协议IP核模块14等，其中Aurora协议IP核模块12与光纤通信模块11互联，用于高速串行数据和低速并行数据流之间的转换；用户逻辑模块13配置为状态机，与所述Aurora协议IP核模块12互联；PCIe协议IP核模块14与所述用户逻辑模块13互联。所述光纤通信转接单元1与上位机2之间通过所述PCIe协议IP核模块14进行连接。所述用户逻辑模块13控制所述Aurora协议IP核模块12处理后的数据流通过所述PCIe协议IP核模块14传输至所述上位机，和/或，控制从所述上位机采集的数据从所述PCIe协议IP核模块,14发送至所述Aurora协议IP核模块12。

此外，所述Aurora协议IP核模块12与所述用户逻辑模块13之间还配置有FIFO模块15，FIFO模块15同时与所述Aurora协议IP核模块12、所述用户逻辑模块13互联，用于缓存经过所述Aurora协议IP核模块或者所述用户逻辑模块处理后的数据流。本实施例中，使用FIFO作为PCIe IP核和Aurora IP核之间的数据存储以及数据跨时钟的传输，FIFO利用IP核实现，大大降低开发难度。

此外，用户逻辑模块13配置为状态机，通过状态机控制PCIe协议IP核模块和Aurora协议IP核模块之间的数据交互，保证数据时序的正确，实现数据稳定、可靠的传输。状态机在判断存在待接收数据需要接收时，进入接收状态进行数据接收，并将接收的数据写入所述FIFO模块缓存；数据接收完成后，状态机在判断所述FIFO模块存在待发送数据需要发送时，进入发送状态进行数据发送，直到传输完成，回到初始状态。例如，在与上位机交互过程中，在接收上位机数据时，状态机在判断存在上位机发送的待接收数据需要接收的情况下，进入接收状态进行数据接收，并将接收的数据写入所述FIFO模块缓存；在向上位机发送数据的过程中，状态机在判断所述FIFO模块存在待发送数据需要发送至上位机的情况下，进入发送状态进行数据发送，直到传输完成，回到初始状态。如图2中所示，图2示出了用户逻辑模块状态机的控制逻辑，下面将说明各个状态的实现功能。其中，状态st0：初始状态，当通道中有数据传输来时，触发CHNL_RX信号，CHNL_RX＝1时进入状态st1。状态st1：接收数据并将数据全部存入FIFO模块，接收完成后，即RXFinish＝1时，进入状态st2。状态st2：判断FIFO模块中是否有数据，当tx_tvalid＝1即FIFO模块中有数据时，进入状态st3。状态st3：接收FIFO模块中的数据并发送，TXFinish＝1时将数据在状态st3中全部发送，完成后返回状态st0，等待下一次传输。

此外，在具体实现中，所述PCIe协议IP核模块可以配置为4通道，实现向上位机的高速数据传输。PCIe协议IP核模块使用4通道，根据每路通道最大传输速率5GT/s，本发明设计的PCIe协议IP核模块最大传输速率可达到20GT/s。AXI接口位宽为64位，和第一Aurora协议IP核模块11接口匹配。

此外，光纤通信转接系统与上位机之间采用基于RIFFA可重用集成架构搭建PCIe进行数据传输，RIFFA架构分为上位机端与用户端两部分，其中上位机端架构用于提供上层驱动、协议库和用户使用端；用户端架构用于提供PCIe底层接口、数据发送接收接口、用户通道选择。在光纤通信转接单元工作时，首先将所述光纤通信转接单元的板卡插在上位机端的PCIe x8插槽中，再次打开主机电源，通过PCIe驱动，根据Vendor ID和Device ID与需要查找的光纤通信转接单元的Vendor ID和Device ID进行比对，如果相等，则匹配成功；匹配成功后，初始化光纤通信转接单元的板卡的基地址寄存器存储空间BAR0，初始化成功后，上位机端主机将会分配数据缓冲区，在主机执行相应的用户程序进行数据传输，在发送API接口与接收API接口配置PCIe的ID、传输通道、发送数组和数据长度。

此外，通过RX/TX DMA Engine模块采用分散收集地址信息的方法实现数据传输，带宽利用率更加接近理论值。具体的，上位机主机发送数据时，用户应用程序调用用户库数据发送函数fpga_send。线程进入内核驱动程序并获取一个预先分配的缓冲区临时存储用户数据。一旦获得缓冲区，数据就会被复制到缓冲区，以便FPGA的光纤通信转接单元可以访问它。然后建立一个分散收集列表，将存储数据的地址和长度放入其中，并将分散收集列表的地址和要发送的数据长度等信息发给光纤通信转接单元。光纤通信转接单元收到列表地址后，读取该列表的信息，然后发出相应地址和长度的读请求，将数据存储，最后一起发给FPGA用户。完成后，驱动程序读取光纤通信转接单元读取的数据总量，该值应该与发送数据的总数据量一致，在无错误的情况下完成数据传输。上位机主机接收数据时，用户应用程序调用用户库数据接收函数fpga_recv。然后由FPGA的光纤通信转接单元启动，用户应用程序线程进入内核驱动程序，然后开始接收上游FPGA的读请求，将数据分包发送，如果没收到请求，将会等待它到达。启动发送函数后，服务器将建立一个散列收集元素的列表，将数据存储地址和长度等信息放入其中，将其写入共享缓冲区。用户应用程序将缓冲区地址和数据长度等信息发送给FPGA。FPGA读取数据，然后发出相应地址的数据写入请求，如果散列收集元素列表的地址有多个，FPGA将通过中断发出多次请求。TX传输的数据全部写入缓存区后，驱动程序读取FPGA写入的字节数，确认是否与发送数据的长度一致，这样就完成了传输。

在具体设计中，可以直接采用封装好的PCIe通信框架，通过调用框架预留出的数据接收发送端口，实现对数据读写的控制。本实施例中，基于RIFFA可重用集成框架搭建PCIe数据传输，其实现多通道采集数据到上位机的实时传输通信。RIFFA是一个通过PCIe总线实现CPU和FPGA数据通信的简单架构，其工作时需要一个支持PCIe的工作台和一个带有PCIe连接器的FPGA板卡。RIFFA不依赖PCIe Bridge，因此不受桥连接的速率和通道数的限制；并且使用直接存储器访问传输方式(DMA)和中断模式传输数据。因此可以实现PCIe链路的高带宽，运行速率可以达到PCIe链路的饱和点。RIFFA架构简化了用户操作，在用户端留有独立的数据发送接口和数据接收端口，对于发送和接收端口的操作只需要用户编写相应的控制逻辑可实现FPGA的通信。

此外，针对传统上应用较为广泛的SFP光纤通信接口最大传输速率在4Gbps的限制，本实施例的所述光纤通信模块采用SFP+光纤通信模块作为设备高速互联的接口通信电路，最高速率可达10Gbps，从而有效提高数据传输速率。同时，SFP+光纤通信模块把用于时钟和数据恢复的电路从芯片中转移到线卡上，把线卡的密度从XFP的每块16个提高到24个，做到了真正的降低成本。光纤通信转接单元与串并通信单元组成互联系统，可通过1路光纤通道，实现了最大数据传输速率为10Gbps级的高速光纤数据采集与传输，系统最多可配置为16通道，达到板卡间160Gbps级的传输速率。此外，该板卡在室温下实现，可将低温下超导设备和室温通信卡进行隔离，通过光纤连接到低温下的通信节点，实现远距离传输，降低对超导设备的干扰。

综上，本实施例提供的光纤通信转接系统，在FPGA平台上基于PCIe总线、Aurora光纤通信协议、SFP+光通信模块实现一种高速的串行通信转接系统卡。该板卡通过PCIe协议IP核模块和上位机连接，在板卡上通过Aurora协议IP核模块基于Aurora光纤通信协议将数据发送给SFP+光模块，SFP+光模块和外部设备连接，同时用户逻辑模块配置为状态机，控制与上位机的数据传输，实现了数据的远距离高速传输。该系统具有超低功耗、处理速度快等优点，适用于计算机加速节点，有极高的实用价值。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以施加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (9)

1.一种光纤通信转接系统，其特征在于，包括光纤通信转接单元，所述光纤通信转接单元配置有光纤通信模块作为通信接口；

所述光纤通信转接单元还包括：

Aurora协议IP核模块，与所述光纤通信模块互联，用于将高速串行数据转化为低速并行数据流；

用户逻辑模块，配置为状态机，与所述Aurora协议IP核模块互联；

PCIe协议IP核模块，与所述用户逻辑模块互联，

所述光纤通信转接单元与上位机之间通过所述PCIe协议IP核模块进行连接；

所述用户逻辑模块控制所述Aurora协议IP核模块处理后的数据流通过所述PCIe协议IP核模块传输至所述上位机，和/或

控制从所述上位机采集的数据从所述PCIe协议IP核模块发送至所述Aurora协议IP核模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述Aurora协议IP核模块与所述用户逻辑模块之间还配置有：

FIFO模块，同时与所述Aurora协议IP核模块、所述用户逻辑模块互联，用于缓存经过所述Aurora协议IP核模块或者所述用户逻辑模块处理后的数据流。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述用户逻辑模块还用于：

状态机在判断存在待接收数据需要接收时，进入接收状态进行数据接收，并将接收的数据写入所述FIFO模块缓存；

数据接收完成后，状态机在判断所述FIFO模块存在待发送数据需要发送时，进入发送状态进行数据发送。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述光纤通信转接单元与上位机之间采用基于RIFFA可重用集成架构搭建PCIe进行数据传输，包括：

上位机端架构，用于提供上层驱动、协议库和用户使用端；

用户端架构，用于提供PCIe底层接口、数据发送接收接口、用户通道选择。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

根据Vendor ID和Device ID匹配所述光纤通信转接单元；

匹配成功后，初始化所述光纤通信转接单元；

初始化成功后，在发送API接口与接收API接口配置PCIe的ID、传输通道、发送数组和数据长度。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

上位机发送数据时，建立分散收集列表存储数据的地址和长度，并将分散收集列表的地址和要发送的数据长度信息发给所述光纤通信转接单元；

所述光纤通信转接单元读取分散收集列表的信息，发出相应地址和长度的数据读取请求，读取上位机发送的数据；

上位机接收数据时，建立分散收集列表存储数据存储地址和长度，并将分散收集列表的地址和要接收的数据长度信息发给所述光纤通信转接单元；

所述光纤通信转接单元读取分散收集列表的信息，发出相应地址的数据写入请求，将数据传输至上位机。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述PCIe协议IP核模块配置为4通道。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述光纤通信模块采用SFP+光纤通信模块。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述光纤通信转接单元集成于FPGA开发板。

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