Speedgoat FPGA板卡使用系列文章之Aurora协议

 

Aurora协议在Speedgoat FPGA板卡中的应用场景

 

 

Aurora是Xilinx®为高速串行通信（千兆级别）开发的轻量级，点对点链路层协议。具有逻辑资源使用少、数据传输延时低、带宽高、可配置的特点。Speedgoat FPGA板卡最高可以实现每通道12.5Gbps的通信速率，8个通道可以实现100Gbps的数据传输。Speedgoat FPGA板卡支持Aurora 64b/66b和Aurora8b/10b两种规范。Speedgoat FPGA板卡支持全双工传输和CRC32数据校验。

 

Speedgoat FPGA板卡主要的三种应用场景

 

 

应用场景1：多块FPGA板卡通过Aurora协议将数据聚合到某一块FPGA板卡，然后通过DMA传送给CPU。

 

此场景的优点在于：

Ø                      实现对高速、大容量数据的处理

Ø                      发挥FPGA数据处理能力强和CPU功能多样的优点

Ø                      避免CPU访问多块FPGA板卡，减低对CPU的占用

Ø                      通过DMA方式，减低对CPU的占用

 

此应用场景多用于，高速的同步数据采集、处理、传输和存储。例如主动降噪对于振动噪声数据的采集和分析；雷达信号，图形信号，或类似高频信号的采集与预处理，然后通过CPU进行数据的融合与分析决策。

 

 

应用场景2：多块FPGA板卡通过Aurora协议将数据聚合到某一块FPGA板卡，同时某一块FPGA将数据分发至多块FPGA板卡。

 

此场景的优点在于：

Ø                      亚微秒级的实时仿真数据处理与闭环反馈

Ø                      多块FPGA板卡之间的纳秒级数据同步

Ø                      大容量，高速数据的实时融合与处理

 

此应用场景可用于大规模电力电子仿真，以一块FPGA作为整个仿真系统的中央节点，其他FPGA作为分布节点，所有FPGA板卡根据主节点生成的时钟信号进行同步仿真。此场景还可以用于自动驾驶的多传感器数据融合与处理。

 

 

应用场景3：FPGA板卡通过Aurora协议与其他外部硬件通信。

 

此场景的优点在于：

Ø                      与外部硬件进行高速数据交换；

Ø                      灵活扩展Speedgoat系统的能力

 

此应用场景可用于模块化多电平变流器或者类似的电力电子HIL测试，Speedgoat FPGA模拟MMC阀，通过SFP光纤连接MMC阀控，通过Aurora协议接收阀控信号，反馈桥臂电流、子模块电压和状态。

 

 

Speedgoat FPGA板卡Aurora协议的物理接口

Speedgoat FPGA板卡Aurora协议的提供两种物理接口：MGT（multi-gigabit transceivers）和SFP（Small Form-factor Pluggable）。

 

MGT接口为电气连接，采用Samtec采用Firefly Micro Flyover连接器，用于连接机箱内部的FPGA板卡，常用的连接方式有以下三种，也可以根据需要定制。

 

 

下图为一个中央节点与四个分布节点的相连图。

 

SFP接口为光纤连接，用于连接机箱外部，距离较远的FPGA模块。下图中左侧为Speedgoat的MGT接口转SFP接口的转接卡，通过此板卡可将机箱内的FPGA板卡与外部的Aurora设备相连。

 

SFP接口的光模块如下图所示：

 

下图为Speedgoat FPGA板卡上子板的QSFP接口，1个QSFP接口通过1分4的光纤，转为4个SPF接口。

 

 

Speedgoat FPGA板卡Aurora协议的软件接口

 

Speedgoat公司已经开发Aurora协议的软件接口，用户只需要专注于应用的开发就可以。下面对于软件接口的使用进行介绍，软件的功能模块图如下

 

 

图中Aurora协议的IP核是Xilinx公司提供的，其常用的User Interface的接口时序如下：

 

User Interface数据发送时序

 

 

User Interface数据接收时序

 

 

为了与上述时序接口，Speedgoat已经提供了图中的User Application模块。

数据发送和接收的接口模块

 

 

用户只需要从Transmit Frame模块的data端口输入需要发送的数据，再通过valid端口控制发送的频率以及与其他FPGA板卡之间的数据同步即可；从Received Frame模块的frame_data端口输出接收的数据即可。此外Speedgoat还提供了数据的组包和分包模块，以及CRC监测模块。

 

数据的组包和分包模块，以及CRC监测模块

 

 

总之，Speedgoat既支持Aurora 8b/10b也支持Aurora 64b/66b，支持的速率范围从2Gbits/s到12.5Gbits/s。用户只需要关心本身应用的开发，对于Aurora协议的IP核的集成，软件接口Speedgoat都已经为用户开发好了。

 

下面测试Speedgoat FPGA板卡的Aurora数据传输延迟，条件如下：

Ø       测试方式为Loopback测试；

Ø       测试板卡IO333-SFP，采用的FPGA型号为Xilinx Kintex7-325T

Ø       采用的Aurora 64b/66b (64-bit beat) 协议，速率为3.125Gbits/s

Ø       FPGA的时钟频率为100MHz。

 

测试结果如下图所示，传输延时约为158 × 10ns = 1.58 μs，Loopback的延时约为311 × 10ns = 3.11 μs。图中左边为传输延时的波形显示，可知传输延时非常稳定，波动非常小。

 

如果将传输速率提升至最快的12.5Gbits/s，则传输延时可降至0.4 μs左右。