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基于FPGA的光口通信開發案例

2021/01/21

前言

自著名華人物理學家高錕先生提出“光傳輸理論”，實用化的光纖傳輸產品始于1976年，經歷了PDH→SDH→DWDM→ASON→MSTP的發展歷程。本世紀初期，ASON/OADM技術已在通信技術當中廣泛應用，逐漸發展成為以骨干網絡傳輸為介質的ROADM技術。

圖1

光通信技術具有如下特點：

(1) 信息容量大。

(2) 損耗低，可長距離傳送。

(3) 抗電磁干擾能力強。

(4) 安全性能和保密性好。

(5) 重量輕，體積小，便于施工維護。

(6) 原材料來源豐富潛在價格低廉。

得益于以上特點，光通信在軟件無線電、視頻追蹤、光電探測、定位導航、水下通信、電力設備等場合應用十分廣泛。而10G光模塊經歷了從300Pin、XENPAK、X2、XFP的發展，最終實現了用和SFP一樣的尺寸傳輸10G的信號，這就是SFP+。SFP憑借其小型化、低成本等優勢滿足了設備對光模塊高密度的需求，從2002年標準推行到2010年，已經取代XFP成為10G市場主流。

創龍科技(Tronlong)的Kintex-7、Zynq-7045/7100等處理板卡已提供2/4通道SFP+光口，可實現UDP或Aurora 10G光口通信。本文將為您分享基于Kintex-7 FPGA SFP+光口的10G UDP網絡通信開發案例。如需基于Kinte-7 FPGA或者ZYNQ的Aurora開發案例，歡迎與我們聯系。

1 硬件平臺

本文基于創龍科技TLK7-EVM評估板進行演示

。

TLK7-EVM是一款基于Xilinx Kintex-7系列FPGA設計的高端評估板，由核心板和評估底板組成。核心板經過專業的PCB Layout和高低溫測試驗證，穩定可靠，可滿足各種工業應用環境。

評估板接口資源豐富，引出FMC、SFP+、PCIe、SATA、HDMI等接口，方便用戶快速進行產品方案評估與技術預研。

圖2 TLK7-EVM評估板

開發案例主要包括：

● CameraLink、SDI、HDMI、PAL視頻輸入/輸出案例

● 高速AD(AD9613)采集 +高速DA(AD9706)輸出案例

● AD9361軟件無線電案例

● UDP(10G)光口通信案例

● UDP(1G)光口通信案例

● Aurora光口通信案例

● PCIe通信案例

案例源碼、產品資料（用戶手冊、核心板硬件資料、產品規格書）可點擊下方鏈接或掃碼二維碼獲取。

http://site.tronlong.com/pfdownload

圖3

2 案例功能

評估板通過SFP+光口接收上位機數據后，將數據重新發送至上位機(PC)，以驗證基于SFP+光口的10G UDP網絡通信功能。評估板作為UDP Server，上位機作為UDP Client。

圖4 程序功能框圖

3 案例演示

將ZBNET的萬兆網卡MCX311插入PC機的PCIe插槽中，并將一個SFP+多模雙纖光模塊接入萬兆網卡，將另一個SFP+多模雙纖光模塊接入評估板SFP1光口。使用兩根光纖線纜分別將SFP1的RX與萬兆網卡的TX相連接，SFP1的TX與萬兆網卡的RX相連接。SFP1光口使用GTX Quad 116的MGTXRX_0、MGTXTX_0引腳。

圖5

圖6

評估板IP地址已通過udp_ip_10g模塊配置為192.168.0.25。請設置PC機IP地址與評估板IP地址處于同一網段。此處將PC機IP地址設置為192.168.0.88，子網掩碼設為255.255.254.0。

圖7

請運行程序，此時PC機將會識別網絡連接狀態為10Gbps。

圖8

由于udp_ip_10g模塊不支持ARP(Address Resolution Protocol)地址解析協議，因此需通過添加評估板IP地址和MAC地址的靜態映射關系。請以管理員身份打開Windows PowerShell，并執行如下命令。

Windows#arp -s 192.168.0.25 00-23-20-21-22-23 //添加評估板IP地址和MAC地址的靜態映射關系

Windows#arp -a //查看添加狀態

圖9

雙擊打開產品資料“4-軟件資料\Tools\”目錄下的網絡調試工具SocketTool_NoAD.exe，在彈出的界面中點擊“UDP Client ->創建”，在“對方IP”中輸入評估板IP地址，再點擊確定。

圖10

在“數據發送窗口”中輸入需發送至評估板的數據，再點擊“發送數據”?！皵祿邮占疤崾敬翱凇敝袑⒋蛴∮蒔C機發送至評估板，以及由評估板發送至PC機的數據。

圖11

4 模塊/IP核配置

4.1 cdcm6208_spi_cfg模塊

本案例使用cdcm6208_spi_cfg模塊配置CDCM6208的Y7時鐘管腳輸出156.25MHz時鐘，作為GTX Quad 116的參考時鐘。

更多說明可參考clkgen_cdcm6208案例相關內容。

圖12

圖13

4.2 10G Ethernet PCS/PMA IP核

本案例使用10G Ethernet PCS/PMA IP核實現物理層（PCS與PMA）功能。

10G Ethernet PCS/PMA IP核開發文檔為產品資料“6-開發參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的《pg068-ten-gig-eth-pcs-pma.pdf》，具體配置說明如下。

（1）選中"Additional transceiver control and status ports"，新增并設置TX Pre-Cursor、TX Post-Cursor和TX Diff Swing選項值，以提高GTX信號傳輸質量。其中tx_pre_cursor設置為0x15、tx_pre_cursor設置為0xA、tx_diff_swing設置為0x9。