随着高速信号传输技术的发展，龙芯处理器设计技术向多核方向发展，技术瓶颈正逐渐从片内转移到片外，从芯片转移到系统或者芯片和系统的结合部。高速信号传输技术将是龙芯的下一个重要技术瓶颈。由于龙芯 3 号片内将集成几十个龙芯 2 号处理器核，而芯片的引脚是有限的，高性能的多核处理器通常同外部系统有高带宽的数据吞吐量，如不能高速、高带宽地同外部系统进行数据交互，则整个系统的性能大大降低。龙芯3号将会成为“嘴小肚子大”、“茶壶里煮饺子”式的怪物。因此，如何提高处理器间的总线带宽已经成为当前研究的重要课题。
2、高速传输系统的原理
基于光纤通信和 PCI 总线的高速传输系统的原理如下述。
2.1 光纤通信基本原理。光纤通信在中国起步比较晚，在将近 20 年的发展中，中国的光纤通信已经较为完善，中国的许多通信设备已经应用光纤通信。但是相对于发达国家来说，中国的纤通信技术还有许多不足需要完善。光纤通信的传输媒介是光导纤维，即光波在媒介光导纤维中进行信息传输。为适应这种传输方式，具有高方向性、高相干性、高单色性等优点的激光就作为该通信方式的光波。所以，从这方面来讲，光纤通信又叫做激光——光纤通信。这种通信技术的传递及转化顺序是从需要传递的信息—电—光—电—复原信息。在传递过程中，传递信息会经过一定的转化。在进行激光传递过程中不同的信息所产生的不同的电信号会使激光器产生随电信号变化的激光。
2.2 PCI 总 线 工 作 原 理。 外 设 部 件 互 连 标 准（PCI，Peripheral Component Interconnect）这种技术在个人电脑领域用最为广泛。它是一种局部总线，这种板卡的特点是具有高速性，即插即用性，可靠性，自动配置，可靠性好等优点。目前这种接口已经取代传统的 ISA 等板卡。目前这种总线已经成为计算机的一种标准总线。PCI 总线有 32 位和 64 位的标准。就 32 位标准总线来说，数据的传输速度最高可以达到 528 MB/s，这种传输速度是以往的总线所不能达到的。由此可见，PCI 总线的传输速度在以往的各种总线中都处于领先地位，这就为高速传输系统打下了良好的基础。除了 PCI 总线在速度上由于其它的总线之外，在即插即用方面也有较大的优势。随着计算机技术的不断发展，来自不同硬件厂商的卡板在使用到一台计算机上时就有可能出现不能兼容等问题。而 PCI 总线有统一的配置，绝不会出现冲突问题。相对于传统的 ISA 总线，大大提高了计算机的生产的便利性。综合以上各种因素，基于 PCI 总线的高速传输系统因 PCI 先进的性能，更能应用到实际需求中。
3、高速数据传输系统方案
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。同时随着数据传输速度的提高，PCL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 PCL 总线技术。
3.1 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。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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆纤收发器由光电子器件、功能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 PCL 等常用接口协议。GTX 由 PMA（PhysicalMedia Attchment，物理媒介适配层）和 PCS（Physical CodingSublayer，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。光纤收发器的接收和发送信号端口直接与 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。
3.2 PCL 通信的 FPGA 实现。FPGA 芯片与计算机的通信是通过 PCL 总线来完成的，PCL 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。
PCL 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、PCL 链路接口、配置接口和用户接口。在本文的设计中通过对 PCL 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，物理接口初始化，并串转换等。PCL 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，因此 DMA 控制器的设计是本系统的关键技术之一。
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 PCL 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；MA 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。
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 PCL 模块中进行相应的操作。
结语：无线通信传输系统对于大多数人来说，是既熟悉又陌生的。现代生活中，它已经渗入了各个领域，它是现代社会信息数据传输的最重要的方式。虽然它还在发展阶段，虽然它的发展还不够完善，但是在这个科技迅猛发展的时代，我们有信心，它会在最短的时间里得到完善，在不久的将来，它会给人们带来更方便、更高科技的生活，让人类社会受益于现代科技。无信通信传输系统将会是人类科技发展史上最杰出的发明之一。
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论文作者:池宏
论文发表刊物:《红地产》2017年9月
论文发表时间:2018/9/3
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