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高速串行通信协议栈逻辑物理层的设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织结构

第二章 高速串行通信协议栈的分析

2.1 通信协议栈与数据中心的关系

2.2 内存资源控制器

2.3 通信协议栈分析

2.4 服务层

2.5 网络层

2.6 数据链路层

2.7 物理层

2.7.1 物理报文序列介绍

2.7.2 多通道字符的处理和应用

2.7.3 极性翻转

2.7.4 通道协商机制

2.7.5 时钟补偿

2.7.6 PIPE接口和PHY介绍

2.8 本章小结

第三章 需求分析和方案制定

3.1 需求分析

3.1.1 系统功能概述

3.1.2 初始化配置

3.1.3 初始化过程

3.1.4 初始化结束

3.1.5 设计需求

3.2 系统结构

3.3 系统模块层次

3.3.1 逻辑物理层接口包格式

3.3.2 txalign模块功能介绍

3.3.3 txlane模块功能介绍

3.3.4 rxlane模块功能介绍

3.3.5 deskew模块功能介绍

3.3.6 链路状态机模块功能介绍

3.4 本章小结

第四章 逻辑物理层的硬件设计

4.1 txalign模块的设计实现

4.1.1 发送控制部分设计

4.1.2 字节拆分部分设计

4.1.3 通道翻转部分设计

4.1.4 时钟补偿部分设计

4.2 txlane模块的设计实现

4.3 rxlane模块的设计实现

4.3.1 字符的锁定与调序

4.3.2 物理报文信息处理

4.3.3 数据报文提取处理

4.4 deskew模块的设计实现

4.4.1 通道翻转部分设计

4.4.2 去偏移部分设计

4.4.3 字节反拆分设计

4.4.4 移位和拼接设计

4.4.5 输出部分设计

4.5 链路训练状态机设计实现

4.5.1 各个逻辑单元模块介绍

4.5.2 DET硬件实现描述

4.5.3 POL硬件实现描述

4.5.4 CFG硬件实现描述

4.5.5 RCV硬件实现描述

4.5.6 LO硬件实现描述

4.6 本章小结

第五章 验证及结果分析

5.1 模块级功能验证

5.1.1 初始化配置测试

5.1.2 数据收发正确性测试

5.1.3 串行速率可配置测试

5.1.4 通道可配置测试

5.1.5 通道协商测试

5.1.6 字符锁定与调序测试

5.1.7 通道间去偏移测试

5.1.8 压力测试

5.2 系统级功能验证

5.3 FPGA验证

5.3.1 FPGA验证流程

5.3.2 ISE综合

5.3.3 ISE实现

5.3.4 上板验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

互联网的发展伴随着大数据时代的到来,对服务器处理海量数据的能力提出了更高的要求,由此带来对网络中设备与设备之间信息交互的要求越来越高。研究高效的高速I/O串行总线是一种必然趋势,而定制串行通信协议栈是高速I/O串行总线,分为服务层、网络层、数据链路层和物理层,主要应用于网络中多节点间的数据高速传输与转发,它能够支持数据中心的远程内存直接访问,以满足其对于大容量内存的需求。逻辑物理层是定制通信协议栈物理层逻辑部分,在整个定制通信协议栈的系统结构中占举足轻重的位置。
  本文对逻辑物理层模块功能和结构进行了相关的需求分析,给出了设计和实现的详细过程。首先对通信协议栈逻辑物理层相关的技术进行研究,包括多通道字符的处理、极性翻转、通道协商等。接着对设计的整体性能、功能、结构和模块层次进行了详细阐述,将逻辑物理层分为发送端、接收端和链路训练与控制状态机,逻辑物理层内部通过握手的方法完成链路的训练过程,保证上层服务层包和数据链路层包的正确发送和接收。然后重点阐述了逻辑物理层的模块实现过程,对逻辑物理层模块中的重要组成部分进行深入剖析,通过对各个模块的实现描述,说明了逻辑物理层对发送和接收报文进行处理的具体步骤,以及链路训练的协商机制,主要包括字节的拆分、通道的协商、字符的锁定和多通道之间的去偏移处理等关键问题。整个实现过程采用Verilog语言进行RTL级描述,通过功能仿真测试,并且通过设计流程图、模块系统架构图和框图等方式详细阐述各个模块的设计方法。最后使用ISE14.5软件,采用Xilinx的VC707开发平台,结合整个协议栈进行上板测试,进一步保证了逻辑物理层的健壮性,其中参考时钟为250Mhz,数据位宽为256比特,系统主时钟达到125Mhz,实现了预期的设计目标。
  本文设计的逻辑物理层功能完善,性能可靠,满足数据中心多节点间互联中定制串行通信协议栈的使用要求。

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