甚短距离光互连协议的研究及硬件实现

论文摘要

甚短距离光互连技术以其传输带宽高,损耗小等优点成为当前互连领域的一个重要发展方向。板间以及芯片间的光互连技术与传统骨干网光传输技术有很大不同,决定了其互连协议的特殊性,而当前的业界也缺乏一种专门针对板间甚至芯片间光互连的协议标准。本文在光互连内存服务器的应用背景下,对适合在短尺度光互连条件下的高速互连协议进行研究,并采用FPGA技术加以实现。本文依据光互连内存服务器的系统需求,将甚短距离光互连协议定位为一种点对点、串行传输的轻量级全双工互连协议,涵盖了数据链路层和物理层。协议对上层应用提供标准用户接口,通过光链路为用户提供高速数据传输服务。基于这样的需求定位,本文对甚短距离光互连协议的机制进行了详尽的研究。对协议的各个要素进行选择和优化。这包括协议的帧格式、数据的收发过程、链路初始化和状态机这几项协议机制的核心部分,以及协议的差错检测处理机制和流量控制功能。接下来本文选择了带有内嵌高速串行收发器（SERDES Serialer/Deserialer）的Virtex-II pro芯片来实现协议功能。SERDES作为协议实现的物理层部分,引入了8B/10B编码机制、时钟产生恢复以及差分驱动接收数模混合电路。数据链路层功能模块采用硬件描述语言Verilog HDL实现,同时还对多通道协议的实现架构进行了详细研究。在Modelsim软件中建立了协议仿真环境,并设计了测试方案模块对协议功能进行测试验证。然后本文选择了SFP光模块作为协议互连的光收发设备,通过原理图和PCB图给出了制作了光模块测试板卡详细方案,并利用带有DDR内存阵列和Virtex-II pro芯片的内存板卡与光模块测试板卡组成协议测试的光链路硬件平台。为了测试光互连协议的实际工作效果,以内存阵列访问为实际应用,本文设计了用光互连协议来传输内存阵列访问读写请求的实验。在光链路硬件平台上,光互连协议将内存数据通过光链路进行高速传输,单路串行速率达2Gbps。实验证明,协议能够满足系统互连需要。最后本文还给出了硬件平台的高速串行差分信号抖动的测试方案,使用高带宽示波器和相关抖动分析软件对信号抖动进行测试。测试结果表明,使用光互连技术对信号的传输距离和质量都有很大提升。甚短距离光互连协议可以很方便的承载其他工业标准数据,对其提供高速光传输服务。也可以基于光互连协议,开发带有寻址交换等更复杂功能的系统应用设计。本课题研究对板间或芯片间的光互连协议的设计,有较大的参考和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 甚短距离光互连技术发展现状
• 1.2 研究背景和目标
• 1.3 本文内容安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 甚短距离光互连协议机制的研究
• 2.1 概述
• 2.2 协议帧格式
• 2.2.1 协议帧的定义
• 2.2.2 帧的发送和接收
• 2.3 链路初始化和状态机
• 2.3.1 Lane 初始化机制
• 2.3.2 Channel 初始化机制
• 2.3.3 链路控制状态机
• 2.4 差错检测处理
• 2.4.1 差错类型
• 2.4.2 漏桶算法
• 2.5 流量控制
• 2.6 本章小结
• 第三章 甚短距离光互连协议的实现
• 3.1 ROCKET I/O 简介
• 3.2 8B/10B 编码机制
• 3.3 接口信号定义
• 3.3.1 用户接口
• 3.3.2 物理层接口
• 3.4 协议模块架构
• 3.4.1 单通道协议架构
• 3.4.2 多通道协议架构
• 3.5 本章小结
• 第四章 光链路硬件平台设计
• 4.1 硬件系统框图
• 4.2 内存板简介
• 4.3 光模块测试板
• 4.3.1 光模块简介
• 4.3.2 电源设计
• 4.3.3 光模块应用设计
• 4.3.4 差分走线设计
• 4.4 原理图与PCB 设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 光传输系统性能测试验证
• 5.1 协议仿真分析
• 5.1.1 仿真环境的配置
• 5.1.2 协议的功能与时序
• 5.1.2.1 数据收发测试
• 5.1.2.2 流量控制测试
• 5.1.3 协议的延迟分析
• 5.1.3.1 lane 初始化延迟分析
• 5.1.3.2 收发数据包延迟分析
• 5.2 实际上板测试
• 5.2.1 内存阵列访问协议介绍
• 5.2.2 系统测试架构
• 5.3 光链路上的高速串行信号测试
• 5.3.1 抖动的概念
• 5.3.2 电互连链路抖动测试
• 5.3.3 光互连链路性能测试
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 特色与创新
• 6.3 不足与展望
• 6.4 本章小结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果