一种基于FPGA的高速串行收发器实现光纤互联传输方法及系统

本发明涉及光纤通讯和光电成像跟踪测控领域，具体的说涉及一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输方法及系统。

背景技术：

1、xilinx的fpga根据不同的器件类型，集成了gtp、gtx、gth以及gtz四种串行高速收发器，四种收发器主要区别是支持的线速率不同。对于每一个串行高速收发器，其包含了发送部分和接收部分。发送端和接收端的功能独立，均由pma(physical mediaattachment，物理媒介适配层)和pcs(physicalcoding sublayer，物理编码子层)两个子层组成。其中pma子层包含高速串并转换(serdes)、预/后加重、接收均衡、时钟发生器及时钟恢复等电路。pcs子层包含8b/10b编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。这可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，最高可达10gbps以上，可用于实现光纤通道、吉比特以太网、pci-express等常用接口。

2、光电成像跟踪测控技术，是一门新兴的学科，它综合运用了自动控制技术，计算机技术和图像处理技术，并且伴随着现代微电子技术的不断进步，而获得了迅猛发展，广泛应用于运动目标检测与跟踪、天文观测、机器视觉、交通监控、智能空中和监控预警等领域。针对光电成像跟踪测量系统上，高帧频、高分辨率实时图像的处理，以及复杂背景下复杂多模图像跟踪算法的处理需求，需要图像处理平台的大量数据实时输入/输出，对数据的传输速率提出更高的要求。目前常用通信协议的传输速率达不到系统要求，而通信行业通用的高速传输协议冗余设计较多，对系统来说硬件开销巨大，因此需要一种结构简单，同时又具有很高数据传输速率的接口来承担数据传输功能，满足光电成像跟踪测控系统实时数据传输的需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输方法及系统，具有结构简单，较高传输性能和可靠性，满足光电成像跟踪测控系统实时数据传输的需求。

2、为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一、发送用户模块发送数据时同时发送请求，包括单次请求的数据量字节大小和数据，长度必须为8字节的整数倍，提交给接收方数据传输层里对应的通道x，x取值为1～8，通道x的帧发送管理模块对发送用户模块单次请求的发送数据进行帧封装，之后把封装的帧分成1个或多个数据包进行发送，其中，大于1024字节时分成多个数据包，并向数据包发送管理模块提出发送数据包请求；

5、步骤二、当多个数据通道的帧发送管理模块同时向数据包发送管理模块提出发送数据包请求时，数据包发送管理模块按照通道优先级，先发送通道1、通道2的数据包，然后按通道3～8的顺序轮回处理各个通道提出的数据包发送请求；

6、步骤三、从t0时刻开始，依次向光纤的通道1上传输数据包0、通道2上传输数据包1、通道3上传输数据包2、通道4上传输数据包3…，tn时刻通道8上传输数据包n,以后依次在通道3上传输数据包n+1、在通道4上传输数据包n+2…；不同数据源的数据，通过不同逻辑数据通道，分时共享光纤物理传输通道；

7、步骤四、经过光纤传输延时后，数据包进入接收方传输层，数据包接收管理模块依次收到数据包0、数据包1、数据包2、数据包3、…、数据包n、数据包n+1、数据包n+2、…；数据包接收管理模块对数据包进行解析，通过判断包累加和包有效字节长度，检测传输的数据的可靠性，以及通过判断包编号的连续性，判断数据的丢失；按照包里的通道编号，将包有效数据交给对应通道的帧接收管理模块进行帧解析，将解析后得到的发送用户模块的数据提交给接收用户模块，完成数据传输。

8、进一步，光纤通道采用自定义光纤通道多层体系结构协议模型，共定义5层，包括fc-0物理层，fc-1链路层，fc-2数据传输层，fc-3公共服务，fc-4高层协议ulp映射。

9、进一步，所述fc-2数据传输层实现：光纤通道内数据帧的传输、数据帧格式的定义、数据包格式的定义、面向不同数据源的多逻辑通道数据的传输与控制；所述数据帧格式的定义包括：数据帧帧头、帧编号、帧有效字节长度、帧有效数据、保留位和数据帧的帧尾；所述数据包格式的定义包括：数据包包头、包编号、通道号、保留位、包有效字节长度、包有效数据、包累加和、保留位和数据包包尾。

10、本发明还提出一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输系统，所述系统的物理设备通过拓扑结构链接至其他物理设备，其拓扑结构如下：(a)设备之间均通过点对点的方式互联，(b)单个设备可通过多个光纤端口的方式进行拓扑互联或级联，(c)每个设备包含一个或者多个端口，(d)每个光纤端口均是独立的，在光纤通道的通信中均是独立的终端，(e)每个光纤端口均是通过lc接口进行光纤通道链接；每个物理设备包含一个或者多个端口，每一个端口均包含一个发送器和一个接收器，在两个数据端口之间具备同时双向流动数据的能力，端口的发送器发送数据帧沿光纤输出，端口的接收器从输入光纤接收数据。

11、进一步，所述物理设备是处理器、控制器或者终端。

12、与现有技术相比，本发明的显著增益效果是：

13、1、本发明制定光纤数据传输层协议，采用多逻辑通道数据传输设计，且划分优先级，满足工程中需要通过光纤传输多数据源的需求，优先级的设计同时也保证了实时性较高数据的传输，具有低延迟的特点；对于光纤上传输1k字节数据，其实测带宽利用率达到90％以上，具有高带宽利用率的特点。理论上，125mhz时钟，数据位宽64位的光线传输带宽约达到954mb/s；

14、2、光纤通道内以数据帧的方式进行传输，数据传输层会对传输大于1k字节数据进行拆包处理，然后在对应的逻辑通道里发送，再接收组成帧。各个通道帧的发送管理模块和通道帧的接收管理模块相互独立，因此独立的单包和单包之间的传输可被打断，保证了系统对光纤的分时共用，便于发送和接收用户模块的扩展，具有较高的灵活性和扩展性；

15、3、本发明采用fpga的高速串行收发器，具有引脚数较少、降低电磁干扰并具有较好的抗噪能力，8b/10b传输编码保证直流平衡，以及在数据传输层增加包累加和、包编号、数据有效性的判断等校验措施，保证了数据传输的可靠性。

技术特征：

1.一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤通道采用自定义光纤通道多层体系结构协议模型，共定义5层，包括fc-0物理层，fc-1链路层，fc-2数据传输层，fc-3公共服务，fc-4高层协议ulp映射。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述fc-2数据传输层实现：光纤通道内数据帧的传输、数据帧格式的定义、数据包格式的定义、面向不同数据源的多逻辑通道数据的传输与控制；所述数据帧格式的定义包括：数据帧帧头、帧编号、帧有效字节长度、帧有效数据、保留位和数据帧的帧尾；所述数据包格式的定义包括：数据包包头、包编号、通道号、保留位、包有效字节长度、包有效数据、包累加和、保留位和数据包包尾。

4.一种基于fpga的高速串行收发器实现光纤互联传输系统，其特征在于，所述系统的物理设备通过拓扑结构链接至其他物理设备，其拓扑结构如下：(a)设备之间均通过点对点的方式互联，(b)单个设备可通过多个光纤端口的方式进行拓扑互联或级联，(c)每个设备包含一个或者多个端口，(d)每个光纤端口均是独立的，在光纤通道的通信中均是独立的终端，(e)每个光纤端口均是通过lc接口进行光纤通道链接；每个物理设备包含一个或者多个端口，每一个端口均包含一个发送器和一个接收器，在两个数据端口之间具备同时双向流动数据的能力，端口的发送器发送数据帧沿光纤输出，端口的接收器从输入光纤接收数据。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述物理设备是处理器、控制器或者终端。

技术总结
本发明提供了一种基于FPGA的高速串行收发器实现光纤互联传输方法及系统，系统采用自定义光纤通道多层体系结构协议模型，共定义了5层：物理层，链路层，数据传输层，公共服务，高层协议映射。数据传输层包括光纤通道内数据帧的传输、数据帧格式的定义、数据包格式的定义、面向不同数据源的多逻辑通道数据的传输与控制。光纤互联的传输系统的物理设备通过拓扑结构链接至其他物理设备，为设备之间同时进行数据的并行传输提供了灵活机制。该发明具有结构简单，较高传输性能和可靠性，满足光电成像跟踪测控系统实时数据传输的需求。

技术研发人员：杜永均,姚俊,方勇文,潘年
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21