FPGA高速设计之Aurora64B/66B的应用与不足的修正

FPGA高速设计之Aurora64B/66B的应用与不足的修正

Aurora IP协议的特点

        首先基于网上找到的一些资料，来讲述下Aurora高速协议的特点与相关的应用。Aurora 协议在 2002 年由 Xilinx 公司首次提出，是由Xilinx提供的一个开源、免费的链路层串行传输通信协议，可扩展且轻量，可以实现点到点的串行数据传输。Aurora协议具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易用的特点。具体如下：

        可扩展，轻量级：部署快捷，可在一个或多个高速串行通道上点对点传输；

        链路层协议：独立于网络层，可直接传输工业标准协议封装的数据，例如TCP/IP、UDP等；

        短距通信：针对芯片间和板间通信应用，通过标准光接口可用于设备间通信；

        开源：免费使用和共享，可基于该协议标准开发独立应用。

        Aurora 协议针对 FPGA 间的高速数据传输，能够为物理层提供透明接口。与 RapidIO、PCIE 等协议只支持固定的传输速率不同，Aurora 协议的传输速率可以进行灵活配置，支持速度为 0.75~13.1 Gbps，并可随着 FPGA 及其内嵌高速串行收发器的发展而进一步提高，可通过通道绑定的方法实现更高的数据传输速度。

        Aurora 协议支持全双工和单工通道，使用的逻辑资源非常少，具有高带宽、无线帧尺寸和灵活组帧的特点。通过调用 Xilinx 公司的 Aurora IP  核，用户只需处理简单的用户接口即可，可以方便地实现器件间的单通道或多通道数据通信。

        Aurora 总线协议包括物理层和数据链路层两层，最初采用了 8B/10B 编码方式，后续为了提高总线带宽利用率，Xilinx 公司于 2008年又采用了 64B/66B 编码。为了区分两种编码方式，采用 8B/10B 编码方式的 Aurora协议称为 Aurora 8B/10B；采用 64B/66B 编码方式的 Aurora 协议称为 Aurora 64B/66B 。

        Aurora协议最大的优势即为开源和共享。Aurota协议为用户提供了一个透明的物理层接口，支持任何上层私有或符合工业标准的协议，如TCP/IP、以太网等，使得采用Aurora协议的高速串行总线接口能够在最短时间内与现有用户设计集成，而不大幅改动用户应用的设计。此外，Aurora协议也具有实现简单、占用物理资源少、通信效率高、速率可灵活配置等优点。

        Aurora协议仍然具有不完善之处，如不具备地址机制，不支持通道切换功能，未规定数据有效载荷内校正等。Aurora总线的应用领域目前仍然局限于FPGA相关的通信，应用范围仍然不够广泛。

Aurora IP协议与应用

Aurora协议分为8B/10B版本（SP002）和64B/66B版本（SP011），主要介绍了五个方面的内容：

物理层：针对信号电平、时钟编码、编码和符号代码等进行介绍。

链路层：描述了在传输过程中如何标记用户协议数据单元(user PDUs)的整个过程，以及在传输期间如何在数据中插入数据暂停，以及如何管理发射机和接收机之间的时钟速率差异。

初始化和错误处理：定义了为跨单通道和多通道通信而准备通道Partners*所需的步骤。它还描述了通道Partners在通道中出现比特错误时应该如何处理。

数据分割：描述了数据如何被映射到一条由多个串行数据线组成的数据通道上。

流量控制：Aurora协议定义了链路层的流量控制机制，并提供了转发更高层用户流量控制消息的加速机制。

        Aurora是一种简单，可扩展的开放式协议，支持下述或更多场景的应用：

        芯片间通信：使用Aurora协议的通信总线为高速串行总线，相对传统IC间的并行总线，可大大减少硬件设计中的布线复杂度和布线层数；

        板间通信：Aurora协议支持8B/10B编码或更高效率的64B/66B编码，使的Aurora可以与许多现有标准兼容。另外，aurora的数据传输率和通道个数是可自定义的，用户使用更加方便；

        单工模式：Aurora协议支持单工模式，在不需要全双工通信的场景可节省更多布线资源。

        ASIC设计：Aurora协议不仅仅应用于FPGA设计，还支持ASIC设计。Aurora的简单和开源特性使得它在FPGA和ASIC中都可以占用更小的资源和成本。

Aurora IP的配置

下图为vivado2018.3 KU+系列芯片中Aurora 64B/66B（不包括DRP重配置选项），IP的选项卡比较简洁明了，下面讲解下各个选项卡的作用。

1. GT Type：KU+系列芯片拥有GTH,GTY两种GT口，其中GTY的速率较高32.75Gb/s，GTH仅有16.375Gb/s；
2. Line Rate：高速收发器线速率，速率影响了高速收发器使用CPLL还是QPLL的输出作为参考时钟信号；
3. Column Used：选择某一列GT口进行数据传输，与实际的FPGA的GT口位置相关，当前仅有left;
4. Lanes：可以选择1~8lane进行高速传输，与器件相关；
5. Start GT Quad/Lane：选择Quad与lane，当前器件2个Quad,8条lane;
6. GT Refclk Selection：选择哪个Quad的时钟作为参考钟；
7. GT Refclk MHz：高速收发器参考时钟频率；
8. INIT clk：初始化时钟，对时钟来源没有要求，可以和DRP共用同一时钟;
9. Generate Aurora without GT：不使用GT资源，只使用逻辑资源生成Aurora协议;
10. Dataflow Mode：选择该IP工作模式，可选有仅发送、仅接收、收发单工，全双工，选择全双工模式可以进行环回实验；
11. Interface：用户接口类型，Framing/Streaming前文分析过该IP支持两种用户接口，本文选择使用framing，即axi-stream数据格式 ；
12. Flow Control：流量控制设置，支持两种流控模式，，简单情况下不使用流量控制传输；
13. Little Endian Support：小端对齐。不勾选该选项时，图中数据信号的最高位是0，表示先传输高字节数据，采用大端对齐。勾选该选项后，数据位会颠倒，变成小端对齐，FPGA内部一般使用大端对齐，保持默认即可。

Aurora IP的第二个选项卡则为shared logic，可以将QPLL,时钟buffer等包含在IP中还是示例设计中，此处建议包含在example design,这样我们可以从示例工程学习到关键的时钟如何处理。

生成IP后，可在source-IP栏右键选择open example design。Xilinx官方的IP除了有配套手册外，还都提供了示例工程。通过手册得知IP的工作原理，通过示例工程去验证IP功能，然后在example design的基础上构建自己的代码。

Aurora IP的example design

打开示例工程后，会有一个工程与一个仿真，截图如下：

其中aurora_64b66b_0_exdes.v是一个完整收发模块，包含了协议层(aurora_64b66b_0_support.v)，跨时钟同步设计(aurora_64b66b_0_cdc_sync.v)，数据生成(aurora_64b66b_0_frame_gen.v)与检查(aurora_64b66b_0_frame_check.v)，示例工程在TestBench中例化了两次该模块，即使用了两个高速收发器进行仿真，把高速收发器1的发送通道与高速收发器2的接收通道连接，从而形成数据闭环。

  由于两个模块产生相同数据，在仿真时可以只关注一个收发器的接收和发送通道数据，就能够观察接收和发送数据是否正确，也可以第二个aurora中的GT设置为收发直连，形成数据闭环。直接运行仿真，可以查看如下的关键信号。

找到axis相关的tx,rx信号data,valid，ready,keep，last，可以看到信号收发正确，还有两个关键信号是channel_up与lane_up当这俩信号被拉低，表明GT初始化成功，才能看到数据的收发，仿真持续时间为34.8us。

Aurora IP的问题

当前在两片FPGA进行aurora通信时，我们采用了如上图的配置，RX侧user_clk=156.25MHz，在axis-stream模式下我们一般要使用一个异步FIFO来跨时钟域，问题来了user_clk=156.25MHz,但我们使用数据的频率仅为100MHz，这样无论多大的FIFO都会发生数据丢失的行为，因为我们无法利用axis_ready信号告诉前级，数据即将溢出，即aurora协议无法接收rx侧的axis_ready信号，从而产生接收数据丢失的风险。此处有两种办法：第一种是我们在接收信号的板子上引出一根ready信号，告诉前级数据不要再发数据了，因为axis_valid &&axis_ready同步拉高，前级的aurora才会发数，这样就相当于人为控制数据的收发，比较灵活。需要注意的是：在设计ready信号时需要关注从后级传到前级的时延；第二种方式则为Flow Control模式，可以通过NFC控制流量，让GT口暂停发数，最多可设置为256拍后才发数据，此方法适用于可以预知下级接收的FIFO什么时候会溢出，然后通过计数暂停发数。