用于点对点连接的高速串列连接方案
随着通讯技术的发展，如今串行链路可以实现千兆的传输速率，而不影响数据完整性。串行连接的发展在于比并行通讯有很多优势，这些优势包括：
•改善的系统可扩展性
•更灵活，更薄的布线
•以最少的额外资源增大了线路流量
•更确定的故障隔离
•可预测且可靠的信令方案
•可按终端用户的需要进行扩展
•有较高抗延迟性的每针脚频宽
•较小的板型，较少的PCB迹线和层及较少的针脚/线数量降低了系统成本
尽管具有实际的优势，串行接口也有某些缺点，例如芯片内要有较高频宽的管理，特殊的初始化及监控、多路信道中的信道绑定、弹性的缓冲用于数据对齐、及抗延迟能力。而且，流控制比较复杂，必须在高阶功能与总芯片面积间进行适当的取舍。
千兆级收发器
随着整个产业从并行到串行接口广泛的迁移，Xilinx推出了千兆级收发器(MGT)以满足6.5Gbps的频宽需要。
这些收发器中公共的功能模块是8B/10B编码器/译码器、发射缓冲器、SERDES、接收缓冲器、同步丧失有限状态机(FSM)、分割元侦测及信道绑一逻辑等。这些收发器有内建的以千兆速率运行的频率数据恢复(CDR)电路。内置的锁相回路(PLL)可产生矩阵和收发器频率。
收发器有几个优势：
• 利用其自身同步时序模型，可减少电路板上迹线的数量，并能消除频率到数据的延迟
• 多MGT可实现较高的频宽
• 有点对点连接的MGT可实现交换机制架构
• MGT中的弹性缓冲器对于绑定通道有较高的的延迟容错能力
MGT可配置支持多种协议，因此其控制比较复杂。在采用MGT设计或整合有高速连接的设计时必须考虑MGT初始化、对正、通道绑定、闲置序列产生、链路管理、数据描绘、频率延迟、频率补偿、误差检测及数据分割与消除噪声。对特定应用配置收发器面临着要调整200 多项属性的挑战。
Aurora解决方案
Xilinx Aurora协议其及相关设计透过管理MGT控制接口，克服了这些挑战。
Aurora具备免费、体积小、可升级并且可客制化特性，加上所需的成本较低，与协议无关的轻量级链路层协议，可实施于各种硅晶体技术中。
用Aurora可将一个或多个MGT 连接起来，构成一个通讯信道。Aurora协议定义了数据包的结构及流控制，数据分割、误差处理及初始化来校验MGT链路的程序。
Aurora收缩性薄膜包装 MGT 提供为其一个透明的接口，允许专有或工业标准的协议上层在其上方运行并提供方便的接取，如以太网络和TCP/IP。
这种易于使用的预先定义协议，可快速地整合到现有的用户设计中。轻量级的Aurora没有寻址方案，不支持交换。它也未定义有效载荷数据内的校正。
Aurora针对开放系统互连(OSI)模型中的物理层及数据链路层所定义，可轻松地整合到现有的网络中。
典型的连接情况
图1是一个典型Aurora应用的概述，Aurora接口透过用户接口与用户应用功能间来回传输数据。透过用户接口 并不是Aurora协议规范的一部分。
Aurora协议引擎将来自Xilinx LocalLink用户接口的普通任意长度数据转换为Aurora协议定义的帧，并透过含有一个或多个高速串行链路的来传送。信道伙伴间的链路数量可以配置，取决于设备。
多数的Xilinx IP基于原来的LocalLink接口所开发。任何吹动其它基于LocalLink的IP设计的用户接口为都可直接插入Aurora中使用。
可以将Aurora看作是LocalLink接口与MGT间的桥梁。
Aurora的LocalLink接口可客制化为2字节或4字节数据型。选择 2字节还是或4字节的接口应根据流量需要及相关的延迟来决定。4字节接口的延迟比2字节的长，但流量大并且所消耗的资源比2字节的少。
Aurora通道可以单方向(单工)或双向(双工)两种模式运行。全双工模块初始化数据以相反的路径来自信道伙伴 ，而单工初始化中则来自于边带讯号。Aurora有单工发射、单工接收或单工发射与接收同时工作。“同时工作”运行类似于完全双工模式，只是发射与接收部分独立地通讯。可将Aurora单工用于令牌环结构中。图2显示了Aurora-S(单工)的令牌环结构。
Aurora中的数据流
数据在Aurora信道伙伴间以帧方式传输。数据流主要包括用户应用与Aurora接口间的协议数据单元(PDU)传输，以及信道伙伴间的信道PDU传输。
在加电后不久，当核心脱离重启状态后，发射器就开始发送初始化序列。如果链路良好，且链路伙伴识别了这些讯号，就会发送应答讯号。在接收了足够的送应答讯号后，发射器会发出连接状态信息，表明信道伙伴间单个的收发器连接建立起来了。当链路建立起来后，Aurora协议引擎进入对单路信道的验证阶段，或是多路信道的信道绑定阶段(在验证阶段前)。当通道验证完成后，Aurora会发送一个信道连接已建立讯号，后面是真正的数据传输。链路初始化过程如图3所示。
数据幅类型
如前所述，数据在Aurora信道上以数据幅形式发送。有五种类型，下面按优先级列出：
•频率补偿(CC)
•初始化序列
•固有流控制(NFC)
•用户流控制(NFC)
•通道PDU
•闲置
Aurora允许通道伙伴以特定的间隔插入CC序列来使用单独的基准频率。这可以容许发射器与接收器之间200兆比率(ppm)差分频率速率。
Aurora帧以两字节的标记发送数据。如果PDU中的字节数为偶数，就会附加一个额外的填充字节。在接收端，填充字节透过接收逻辑进行恢复，然后将数据发送到LocalLink 接口。
发送的LocalLink幅封装在Aurora帧中，如图4所示。Aurora以开始信道PDU(SCP)及结束通道PDU(ECP)标计封装帧。在接收端整个过程正相反。收发器负责将帧编码/译码为8B/10B字符、串行化与解串行化处理。
流控制
Aurora支持可选的流控制机制，以防通道伙伴间不同源极及漏极速率造成数据丢失(图 5)。
固有流控制
NFC用于表示数据链路层的速率控制。NFC运行由两个NFC FSM决定：接收与发射。
接收NFC FSM监控着接收 FIFO的状态。如果有溢流的风险，它就会产生NFC PDU要求信道伙伴暂停传输用户PDU 一段时间。发射NFC状态机在这段请求时间内等待接收FIFO脱离其溢流状态。
在发送NFC请求时，发射NFC FSM要消除任何往返延迟。最理想的情况是，NFC请求在接收FIFO溢流前发送，以容许此延迟。NFC暂停值可以编程控制，从0至256，最大值为无限大。NFC暂停值为非累积的，新NFC请求值会覆盖原有的值。
有两种NFC请求类型：直接模式与完成模式。在直接模式中，低优先级请求暂停而先处理NFC请求。在完成模式下，只在当前幅完成传输后，才开始处理NFC请求。
用户流控制
UFC 用于在任何层实施用户定义的流控制。在一个幅中，UFC消息数量可以是从2 至16 字节。UFC 消息由用户应用产生并编译。
应用
Aurora是一种简单的可扩展的串行I/O开放协议。可以在FPGA 或ASIC中实施。Aurora可应用于资源消耗较少的廉价、高效能的链路层中，可节省开发其自己MGT协议用户的时间。
Aurora有多种应用，包括：
•视讯
•医疗
•背板
•桥接
•芯片间及电路板间通讯
•分割向个FPGA间的功能
•单工通讯
Aurora以较少的资源提供了更多的流量。此外，还可适用用户需要，允许额外的功能。Aurora单工运行对于用户单方向需要较高的流量的场合提供了最大的弹性，而消耗最少的资源。单工方式非常适合于非数据通信，如流式视讯。
性能统计
Aurora的设计使其最用最少的FPGA资源，单路2字节的分帧消耗约383个查询表及374 个触发电路。图6中的曲线显示了Virtex-5 LXT设备中不同信道结构的资源使用统计。
单信道2字节设计的延迟为10个周期。收发器会插入某些固有的延迟。因此，采用RocketIO GTP收发器的Aurora设计总体延迟约为29 个周期。
可选择各种范围值的参考频率。总流量取决于参考频率值及所选的线路速率。
Aurora:CORE Generator IP
Aurora作为CORE Generator软件的一部分，有10 个左右可配置的参数。可以根据所选的MGT 数量及基准频率源选择流/分帧接口、单工/双工数据流、单路/多路MGT、基准频率值、线路速率、MGT位置，来配置Auroracore。根据所选的Virtex设备不同，所支持的线路速率范围从0.1 Gbps到6.5Gbps。core来自于支持MTI、NC-SIM及VCS仿真器的仿真脚本，并可建立脚本来简化设计合成与位产生。
Aurora使用方便且具扩充性
Aurora使用方便，IP可传输原有协议，也可实施专有协议，是一种高效、可扩展且种类丰富的技术。Aurora可以向后兼容：Virtex-5设备中的Aurora设计可与Virtex-4设备中的交谈，使IP独立于基础的MGT技术。Xilinx IP及软件工具充分发挥了Aurora改善功能的优势。未来的增强功能是加入packetretry功能，以提供链路可靠性。
参考数据
要获得LocalLink接口的详细信息，请连接：www.xilinx.com/products/design_resources/conn_central/locallink_member/sp006.pdf。
( 2008年7月1日)
Mrinal J. Sarmah / Hemanth Puttashamaiah, Xilinx
•改善的系统可扩展性
•更灵活，更薄的布线
•以最少的额外资源增大了线路流量
•更确定的故障隔离
•可预测且可靠的信令方案
•可按终端用户的需要进行扩展
•有较高抗延迟性的每针脚频宽
•较小的板型，较少的PCB迹线和层及较少的针脚/线数量降低了系统成本
尽管具有实际的优势，串行接口也有某些缺点，例如芯片内要有较高频宽的管理，特殊的初始化及监控、多路信道中的信道绑定、弹性的缓冲用于数据对齐、及抗延迟能力。而且，流控制比较复杂，必须在高阶功能与总芯片面积间进行适当的取舍。
千兆级收发器
随着整个产业从并行到串行接口广泛的迁移，Xilinx推出了千兆级收发器(MGT)以满足6.5Gbps的频宽需要。
这些收发器中公共的功能模块是8B/10B编码器/译码器、发射缓冲器、SERDES、接收缓冲器、同步丧失有限状态机(FSM)、分割元侦测及信道绑一逻辑等。这些收发器有内建的以千兆速率运行的频率数据恢复(CDR)电路。内置的锁相回路(PLL)可产生矩阵和收发器频率。
收发器有几个优势：
• 利用其自身同步时序模型，可减少电路板上迹线的数量，并能消除频率到数据的延迟
• 多MGT可实现较高的频宽
• 有点对点连接的MGT可实现交换机制架构
• MGT中的弹性缓冲器对于绑定通道有较高的的延迟容错能力
MGT可配置支持多种协议，因此其控制比较复杂。在采用MGT设计或整合有高速连接的设计时必须考虑MGT初始化、对正、通道绑定、闲置序列产生、链路管理、数据描绘、频率延迟、频率补偿、误差检测及数据分割与消除噪声。对特定应用配置收发器面临着要调整200 多项属性的挑战。
Aurora解决方案
Xilinx Aurora协议其及相关设计透过管理MGT控制接口，克服了这些挑战。
Aurora具备免费、体积小、可升级并且可客制化特性，加上所需的成本较低，与协议无关的轻量级链路层协议，可实施于各种硅晶体技术中。
用Aurora可将一个或多个MGT 连接起来，构成一个通讯信道。Aurora协议定义了数据包的结构及流控制，数据分割、误差处理及初始化来校验MGT链路的程序。
Aurora收缩性薄膜包装 MGT 提供为其一个透明的接口，允许专有或工业标准的协议上层在其上方运行并提供方便的接取，如以太网络和TCP/IP。
这种易于使用的预先定义协议，可快速地整合到现有的用户设计中。轻量级的Aurora没有寻址方案，不支持交换。它也未定义有效载荷数据内的校正。
Aurora针对开放系统互连(OSI)模型中的物理层及数据链路层所定义，可轻松地整合到现有的网络中。
典型的连接情况
图1是一个典型Aurora应用的概述，Aurora接口透过用户接口与用户应用功能间来回传输数据。透过用户接口 并不是Aurora协议规范的一部分。
Aurora协议引擎将来自Xilinx LocalLink用户接口的普通任意长度数据转换为Aurora协议定义的帧，并透过含有一个或多个高速串行链路的来传送。信道伙伴间的链路数量可以配置，取决于设备。
多数的Xilinx IP基于原来的LocalLink接口所开发。任何吹动其它基于LocalLink的IP设计的用户接口为都可直接插入Aurora中使用。
可以将Aurora看作是LocalLink接口与MGT间的桥梁。
Aurora的LocalLink接口可客制化为2字节或4字节数据型。选择 2字节还是或4字节的接口应根据流量需要及相关的延迟来决定。4字节接口的延迟比2字节的长，但流量大并且所消耗的资源比2字节的少。
Aurora通道可以单方向(单工)或双向(双工)两种模式运行。全双工模块初始化数据以相反的路径来自信道伙伴 ，而单工初始化中则来自于边带讯号。Aurora有单工发射、单工接收或单工发射与接收同时工作。“同时工作”运行类似于完全双工模式，只是发射与接收部分独立地通讯。可将Aurora单工用于令牌环结构中。图2显示了Aurora-S(单工)的令牌环结构。
Aurora中的数据流
数据在Aurora信道伙伴间以帧方式传输。数据流主要包括用户应用与Aurora接口间的协议数据单元(PDU)传输，以及信道伙伴间的信道PDU传输。
在加电后不久，当核心脱离重启状态后，发射器就开始发送初始化序列。如果链路良好，且链路伙伴识别了这些讯号，就会发送应答讯号。在接收了足够的送应答讯号后，发射器会发出连接状态信息，表明信道伙伴间单个的收发器连接建立起来了。当链路建立起来后，Aurora协议引擎进入对单路信道的验证阶段，或是多路信道的信道绑定阶段(在验证阶段前)。当通道验证完成后，Aurora会发送一个信道连接已建立讯号，后面是真正的数据传输。链路初始化过程如图3所示。
数据幅类型
如前所述，数据在Aurora信道上以数据幅形式发送。有五种类型，下面按优先级列出：
•频率补偿(CC)
•初始化序列
•固有流控制(NFC)
•用户流控制(NFC)
•通道PDU
•闲置
Aurora允许通道伙伴以特定的间隔插入CC序列来使用单独的基准频率。这可以容许发射器与接收器之间200兆比率(ppm)差分频率速率。
Aurora帧以两字节的标记发送数据。如果PDU中的字节数为偶数，就会附加一个额外的填充字节。在接收端，填充字节透过接收逻辑进行恢复，然后将数据发送到LocalLink 接口。
发送的LocalLink幅封装在Aurora帧中，如图4所示。Aurora以开始信道PDU(SCP)及结束通道PDU(ECP)标计封装帧。在接收端整个过程正相反。收发器负责将帧编码/译码为8B/10B字符、串行化与解串行化处理。
流控制
Aurora支持可选的流控制机制，以防通道伙伴间不同源极及漏极速率造成数据丢失(图 5)。
固有流控制
NFC用于表示数据链路层的速率控制。NFC运行由两个NFC FSM决定：接收与发射。
接收NFC FSM监控着接收 FIFO的状态。如果有溢流的风险，它就会产生NFC PDU要求信道伙伴暂停传输用户PDU 一段时间。发射NFC状态机在这段请求时间内等待接收FIFO脱离其溢流状态。
在发送NFC请求时，发射NFC FSM要消除任何往返延迟。最理想的情况是，NFC请求在接收FIFO溢流前发送，以容许此延迟。NFC暂停值可以编程控制，从0至256，最大值为无限大。NFC暂停值为非累积的，新NFC请求值会覆盖原有的值。
有两种NFC请求类型：直接模式与完成模式。在直接模式中，低优先级请求暂停而先处理NFC请求。在完成模式下，只在当前幅完成传输后，才开始处理NFC请求。
用户流控制
UFC 用于在任何层实施用户定义的流控制。在一个幅中，UFC消息数量可以是从2 至16 字节。UFC 消息由用户应用产生并编译。
应用
Aurora是一种简单的可扩展的串行I/O开放协议。可以在FPGA 或ASIC中实施。Aurora可应用于资源消耗较少的廉价、高效能的链路层中，可节省开发其自己MGT协议用户的时间。
Aurora有多种应用，包括：
•视讯
•医疗
•背板
•桥接
•芯片间及电路板间通讯
•分割向个FPGA间的功能
•单工通讯
Aurora以较少的资源提供了更多的流量。此外，还可适用用户需要，允许额外的功能。Aurora单工运行对于用户单方向需要较高的流量的场合提供了最大的弹性，而消耗最少的资源。单工方式非常适合于非数据通信，如流式视讯。
性能统计
Aurora的设计使其最用最少的FPGA资源，单路2字节的分帧消耗约383个查询表及374 个触发电路。图6中的曲线显示了Virtex-5 LXT设备中不同信道结构的资源使用统计。
单信道2字节设计的延迟为10个周期。收发器会插入某些固有的延迟。因此，采用RocketIO GTP收发器的Aurora设计总体延迟约为29 个周期。
可选择各种范围值的参考频率。总流量取决于参考频率值及所选的线路速率。
Aurora:CORE Generator IP
Aurora作为CORE Generator软件的一部分，有10 个左右可配置的参数。可以根据所选的MGT 数量及基准频率源选择流/分帧接口、单工/双工数据流、单路/多路MGT、基准频率值、线路速率、MGT位置，来配置Auroracore。根据所选的Virtex设备不同，所支持的线路速率范围从0.1 Gbps到6.5Gbps。core来自于支持MTI、NC-SIM及VCS仿真器的仿真脚本，并可建立脚本来简化设计合成与位产生。
Aurora使用方便且具扩充性
Aurora使用方便，IP可传输原有协议，也可实施专有协议，是一种高效、可扩展且种类丰富的技术。Aurora可以向后兼容：Virtex-5设备中的Aurora设计可与Virtex-4设备中的交谈，使IP独立于基础的MGT技术。Xilinx IP及软件工具充分发挥了Aurora改善功能的优势。未来的增强功能是加入packetretry功能，以提供链路可靠性。
参考数据
要获得LocalLink接口的详细信息，请连接：www.xilinx.com/products/design_resources/conn_central/locallink_member/sp006.pdf。
( 2008年7月1日)
Mrinal J. Sarmah / Hemanth Puttashamaiah, Xilinx
