《電子技術(shù)應(yīng)用》
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SPI-4.2總線應(yīng)用和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)談
單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)
王 江 上海貝爾股份有限公司
摘要: SPI-4.2總線(System Packet Interface,系統(tǒng)間數(shù)據(jù)包接口)是一種速度高達(dá)10 Gb/s的芯片間互連總線,主要應(yīng)用于ATM信元傳輸、POS(Packet Over SONET/SDH,基于SONET/SDH的包傳輸)和10 Gb/s以太網(wǎng)等高端場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞: 接口IC 調(diào)試 總線 SPI-4
Abstract:
Key words :

引言
    SPI-4.2總線(System Packet Interface,系統(tǒng)間數(shù)據(jù)包接口)是一種速度高達(dá)10 Gb/s的芯片間互連總線,主要應(yīng)用于ATM信元傳輸、POS(Packet Over SONET/SDH,基于SONET/SDH的包傳輸)和10 Gb/s以太網(wǎng)等高端場(chǎng)合。特別在通信領(lǐng)域,很多高端處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器,如Intel公司的IXP2800、Cavium公司的多內(nèi)核處理器CN58xx系列、NetLogic公司的XLR732、Broadcom的BCM1480,幾乎都集成了SPI-4.2接口,以提高芯片的吞吐能力,適應(yīng)通信產(chǎn)業(yè)朝著LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))發(fā)展的需求。還有眾多的物理層芯片,例如Cortina公司的CS1331,可以將SPI-4.2總線轉(zhuǎn)換成8個(gè)千兆以太網(wǎng)接口。SPI-4.2總線之所以被眾多的高端芯片所采用,與其高速、靈活、可靠的特性是密不可分的。

1 SPI-4.2總線基本原理
    SPI-4.2總線是一種芯片間的互連總線,連接芯片的鏈路層和物理層模塊。其工作時(shí)鐘是源同步雙邊沿觸發(fā)時(shí)鐘,至少為311 MHz。圖1是使用SPI-4.2總線連接兩個(gè)芯片的示意圖??梢?,SPI-4.2總線的信號(hào)在發(fā)送和接收方向完全對(duì)稱而又互相獨(dú)立,數(shù)據(jù)鏈路和狀態(tài)鏈路分開,并且其時(shí)鐘也是完全分開的。因此,該總線不僅適合于雙向通道,而且適合于只收不發(fā)或者只發(fā)不收的單向通道。

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    SPI-4.2總線具有以下特點(diǎn):
    ①點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連,收發(fā)數(shù)據(jù)鏈路寬度為16位。
    ②發(fā)送和接收模塊的信號(hào)各分為兩組,即數(shù)據(jù)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào),分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路和狀態(tài)鏈路,每個(gè)鏈路具有自己的時(shí)鐘。數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送和接收數(shù)據(jù),狀態(tài)鏈路傳輸相應(yīng)鏈路的狀態(tài)信息。
    ③數(shù)據(jù)鏈路包含DCLK、DAT[15:0]和CTL三種LVDS(低壓差分傳輸)信號(hào)。前面加“T”表示信號(hào)屬于發(fā)送模塊,加“R”表示信號(hào)屬于接收模塊。以發(fā)送模塊為例,TDCLK是雙邊沿觸發(fā)時(shí)鐘,TCTL是控制信號(hào),TDAT[15:0]承載了數(shù)據(jù)和控制信息。當(dāng)TCTL為高電平時(shí),TDAT[15:0]傳送的是數(shù)據(jù)包;當(dāng)TCTL為低電平時(shí),TDAT[15:0]傳送的是控制包。數(shù)據(jù)采用DIP~4校驗(yàn)交織碼。
    ④狀態(tài)鏈路包括SCLK時(shí)鐘信號(hào)和STAT[1:0]狀態(tài)信號(hào),信號(hào)類型是LVTTL或LVDS。SPI~4.2發(fā)送時(shí)序如圖2所示。如果選擇LVTTL,則SC-LK時(shí)鐘頻率是數(shù)據(jù)鏈路時(shí)鐘速率的1/4。如果選擇LVDS,則SCLK時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)鏈路時(shí)鐘頻率相同。下文中均以LVDS為例進(jìn)行闡述。狀態(tài)鏈路主要用于流控。

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    ⑤接收和發(fā)送模塊都含有一個(gè)FIFO隊(duì)列,用于緩存數(shù)據(jù),隊(duì)列長(zhǎng)度由芯片設(shè)計(jì)而定。隊(duì)列的狀態(tài)信息通過狀態(tài)鏈路周期性地發(fā)送,接收模塊和發(fā)送模塊的狀態(tài)信息是獨(dú)立的。狀態(tài)信息附加了DIP-2交織校驗(yàn)碼,以提高傳輸可靠性。


    除了數(shù)據(jù)包中最后一段不滿16字節(jié)的數(shù)據(jù)(EOP)之外,SPI-4.2總線的數(shù)據(jù)實(shí)行突發(fā)傳輸,以16字節(jié)為單位(稱為一個(gè)數(shù)據(jù)塊),每次傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)塊。因?yàn)閿?shù)據(jù)寬度是16位,所以一次突發(fā)傳輸至少需要4個(gè)時(shí)鐘周期。數(shù)據(jù)的高地址位字節(jié)先發(fā)送(MSB),低地址位字節(jié)后發(fā)送,數(shù)據(jù)塊傳輸過程中不會(huì)被中斷。每次突發(fā)傳輸?shù)拈g隔期間傳送控制包或者訓(xùn)練序列。圖2中,TDAT表示數(shù)據(jù)塊,TCTRL表示控制塊??刂瓢L(zhǎng)度為16位,包含了前次傳輸和下次傳輸?shù)臓顟B(tài)信息:包開始標(biāo)志、包結(jié)束標(biāo)志、邏輯端口地址和DIP-4交織校驗(yàn)碼等。數(shù)據(jù)鏈路遵循有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行工作,狀態(tài)包括5種:控制包傳輸、數(shù)據(jù)包傳輸、空閑包傳輸、訓(xùn)練序列傳輸以及訓(xùn)練序列控制。
    因?yàn)闋顟B(tài)鏈路的寬度是2位,所以每次突發(fā)傳輸至少傳輸16位數(shù)據(jù)(4個(gè)時(shí)鐘周期)。反映FIFO隊(duì)列的狀態(tài)信息有3種:飽(Satisfied)、餓(Hungry)、極餓(Starving),分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字10、01和00。11表示鏈路處于失步狀態(tài),正在同步過程中。當(dāng)狀態(tài)是“飽”時(shí),說明隊(duì)列幾乎滿了,只接收當(dāng)前正在傳送的數(shù)據(jù)包,其他數(shù)據(jù)包只有等狀態(tài)更新后才能接收。當(dāng)狀態(tài)是“餓”時(shí),可以接收最大MaxBurst2個(gè)數(shù)據(jù)塊。當(dāng)狀態(tài)是“極餓”時(shí),說明隊(duì)列幾乎空了,可以接收最大MaxBurst1個(gè)數(shù)據(jù)塊。MaxBurst1和MaxBurst2是SPI-4.2總線初始化時(shí)設(shè)定的參數(shù),MaxBurst1不得小于MaxBurst2。

2 SPI-4.2總線的初始化和同步
    SPI-4.2總線初始化時(shí)必須設(shè)定一些基本參數(shù),如表1所列。

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    SPI-4.2總線協(xié)議定義了一個(gè)叫“日歷”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CALENDAR[i](i=1,…,CALENDAR_LEN)。CALENDAR_LEN(日歷長(zhǎng)度)參數(shù)規(guī)定了邏輯端口(或稱為虛擬通道)的數(shù)目,該數(shù)值不能小于實(shí)際的邏輯端口數(shù)目。例如,如果SPI-4.2總線用于10 Gb/s以太網(wǎng)口,那么日歷長(zhǎng)度是1(即CALENDAR_LEN=1);如果SPI-4.2總線用于10個(gè)1 Gb/s以太網(wǎng)口,那么日歷長(zhǎng)度是10(CALENDAR_LEN=10),CALENDAR[i]=1,2,…,10,代表了10個(gè)以太網(wǎng)端口。CALENDAR[i]中承載的數(shù)據(jù)被周而復(fù)始地依次傳輸,重復(fù)次數(shù)是CALENDAR_M次。圖3為日歷長(zhǎng)度和重復(fù)次數(shù)都是4的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。SPI-4.2總線被初始化時(shí),必須確保接口兩端的CALENDAR_LEN和CALENDAR_M分別相等。從這個(gè)角度看,SPI-4.2是一種時(shí)分復(fù)用的總線:總帶寬是固定的,“日歷”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定了帶寬和邏輯端口的分配。
    當(dāng)SPI-4.2正常工作時(shí),數(shù)據(jù)和狀態(tài)鏈路會(huì)不定期地發(fā)送訓(xùn)練序列。在數(shù)據(jù)鏈路,訓(xùn)練序列至少應(yīng)該在DATA_MAX_T個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送一次。在狀態(tài)鏈路,訓(xùn)練序列至少應(yīng)該在FIFO_MAX_T個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送一次。設(shè)置DATA_MAX_T或FIFO_MAX_T為0將取消各自鏈路的訓(xùn)練序列,一般情況下不推薦這種設(shè)置。
    圖4以XLR732為參照描述了SPI-4.2總線的收發(fā)同步過程。啟動(dòng)之后,在發(fā)送方向,發(fā)送模塊(TX)通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送連續(xù)的訓(xùn)練序列,對(duì)端的接收模塊成功收到訓(xùn)練序列后,會(huì)設(shè)置本端的接收同步標(biāo)志;然后通過狀態(tài)鏈路發(fā)送訓(xùn)練序列給對(duì)端,一旦發(fā)送模塊成功接收到訓(xùn)練序列后,就設(shè)置本端的發(fā)送同步標(biāo)志。

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    在接收方,接收模塊(RX)在數(shù)據(jù)鏈路成功接收到對(duì)端發(fā)送的訓(xùn)練序列后,會(huì)設(shè)置本端的接收同步標(biāo)志;然后通過狀態(tài)鏈路發(fā)送訓(xùn)練序列,一旦發(fā)送模塊成功接收到訓(xùn)練序列后,就設(shè)置本端的發(fā)送同步標(biāo)志。
    在同步過程中,訓(xùn)練序列由指定的連續(xù)的DIP-4碼字組成。發(fā)送模塊必須連續(xù)發(fā)送訓(xùn)練序列,直到本端的狀態(tài)鏈路收到有效信息。同時(shí),接收模塊忽視所有接收到的數(shù)據(jù),直到觀察到訓(xùn)練序列,獲得數(shù)據(jù)同步。一旦數(shù)據(jù)鏈路同步之后,F(xiàn)IFO隊(duì)列狀態(tài)信息就開始傳送。如果發(fā)送
方接收到有效的狀態(tài)信息,它就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。
    如果在工作過程中,由于某些原因(例如一端器件掉電或重啟)導(dǎo)致總線失步,那么為了再次獲得同步,雙方需要按照上述過程發(fā)送連續(xù)的訓(xùn)練序列,直到建立同步為止。

3 SPI-4.2總線接口的調(diào)試
    SPI-4.2總線接口的調(diào)試包括兩個(gè)重要步驟:鏈路的同步和數(shù)據(jù)的正常收發(fā)。
    在調(diào)試鏈路同步時(shí),首先必須查看總線兩端的初始化參數(shù)配置。因?yàn)镾PI-4.2總線協(xié)議是一個(gè)對(duì)等端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,所以大部分參數(shù)需要雙方的匹配和協(xié)商,特別是接收方和發(fā)送方的CALENDAR_LEN和CALENDAR_M參數(shù)。
    如何查看同步呢?芯片通常會(huì)提供一個(gè)狀態(tài)寄存器來反映總線的同步。“接收同步標(biāo)志”只能說明在數(shù)據(jù)鏈路上成功接收到對(duì)端的訓(xùn)練序列,但不能保證接收的狀態(tài)鏈路是正常的,如果需要確認(rèn)可查看對(duì)端的“發(fā)送同步標(biāo)志”。在收發(fā)雙向通道應(yīng)用中,只有兩端的“接收同步標(biāo)志”和“發(fā)送同步標(biāo)志”都置位了,總線才算同步。此時(shí),可以確認(rèn)總線兩端的物理連接是正確的,握手成功。
    如果不能同步,就必須檢查兩端的“接收同步標(biāo)志”和“發(fā)送同步標(biāo)志”,判斷是哪一端出了問題。檢查是否有DIP4和DIP2錯(cuò)誤,如果有此類錯(cuò)誤,說明鏈路上信號(hào)質(zhì)量可能不佳,可以用示波器測(cè)量信號(hào)波形。如果信號(hào)質(zhì)量確實(shí)不好,可以通過提高信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力或者調(diào)整硬件匹配阻抗來優(yōu)化。如果兩端的接收和發(fā)送都沒有同步,就必須測(cè)量芯片的電壓、工作頻率、重啟等信號(hào)。
    如果兩端的“接收同步標(biāo)志”和“發(fā)送同步標(biāo)志”都已經(jīng)置位,說明雙方的接收和發(fā)送都同步,可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)了。在大流量數(shù)據(jù)傳輸過程中,最相關(guān)的是FIFO隊(duì)列的參數(shù)配置,配置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)包或丟包。以NetLogic公司的XLR732網(wǎng)絡(luò)處理器為例,SPI-4.2總線的發(fā)送模塊的所有邏輯端口共享一個(gè)FIFO隊(duì)列,寬度為16字節(jié),長(zhǎng)度為128;接收模塊的所有邏輯端口共享一個(gè)FIFO隊(duì)列,寬度為16字節(jié),長(zhǎng)度為512。每個(gè)邏輯端口所占用的隊(duì)列地址和大小都可以通過寄存器配置。
    假如某個(gè)端口接收端隊(duì)列的長(zhǎng)度是48,MaxBurst1是12,MaxBurst2是8。那么當(dāng)該模塊接收數(shù)據(jù)時(shí),如果由于某些原因(例如軟件來不及處理),接收隊(duì)列只剩下12個(gè)空位,也就是接收隊(duì)列已經(jīng)有48-12=36個(gè)空位被占用時(shí),它將通過狀態(tài)鏈路向?qū)Χ税l(fā)送“餓”的狀態(tài)信號(hào)(反壓信號(hào))。對(duì)端收到該信號(hào)后實(shí)施流控策略,根據(jù)本端發(fā)送端的MaxBurst1設(shè)置值發(fā)送數(shù)據(jù),該值表示接收到“餓”狀態(tài)信號(hào)后最多還可以發(fā)送的數(shù)據(jù)塊數(shù)目。所以接收端的MaxBurst1的值一定要大于對(duì)端發(fā)送端的MaxBurst1,并且要留出一定的余量,因?yàn)閿?shù)據(jù)在鏈路上的傳輸也是需要時(shí)間的。同理,接收端的MaxBurst2要大于對(duì)端發(fā)送端的MaxBurst2。值得注意的是,流控是基于邏輯端口的,而不是整條鏈路。
    為保證不發(fā)生接收端FIFO隊(duì)列溢出等問題,盡量將接收端的MaxBurst1和MaxBurst2設(shè)置大一些,只要小于FIFO入口總數(shù)就可以,而發(fā)送端MaxBurst1和MaxBurst2的設(shè)置不要超過本端接收能力。
    如果出現(xiàn)EOP(結(jié)束包)和SOP(起始包)錯(cuò)誤或缺失,或者其他錯(cuò)包(例如包長(zhǎng)變短、幀校驗(yàn)錯(cuò)誤等),但沒有DIP4錯(cuò)誤,該怎么辦?這類問題一般出現(xiàn)在FIFO隊(duì)列設(shè)置上,尤其是接收端的FIFO隊(duì)列可能溢出,從而丟失了某些數(shù)據(jù)塊,可以通過以下3種方法來檢測(cè)和解決:
    ①通過查看接收端FIFO溢出標(biāo)志來判斷FIFO隊(duì)列是否溢出;
    ②通過調(diào)整接收端的MaxBurst1和MaxBurst2來防止FIFO隊(duì)列溢出;
    ③如果方法②的調(diào)整足夠大,還有此問題,可以查看對(duì)端是否收到反壓信號(hào),以及對(duì)端的狀態(tài)等。
    為了方便,通常將發(fā)送端的MaxBurst1和MaxBurst2設(shè)置為相同數(shù)值,將接收端的MaxBurst1和MaxBurst2也設(shè)置成相同數(shù)值。

結(jié)語
    隨著處理器的速度越來越快,處理器集成的內(nèi)核越來越多,處理器與外圍器件之間,處理器之間,以及外圍器件之間的連接速度逐漸成為制約平臺(tái)性能的瓶頸。許多芯片同時(shí)集成了多個(gè)總線接口,例如XLR732同時(shí)擁有SPI-4.2、HT、以太網(wǎng)3種總線接口。SPI-4.2總線在與其
他總線的競(jìng)爭(zhēng)中體現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力,希望本文所介紹的經(jīng)驗(yàn)對(duì)正在應(yīng)用或計(jì)劃應(yīng)用SPI-4.2總線的同行有所幫助。

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