SPI4.2總線應(yīng)用和調(diào)試

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　　SPI4.2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SPI4.2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SPI4.2總線轉(zhuǎn)換成8個(gè)千兆以太網(wǎng)接口。SPI4.2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 SPI4.2總線基本原理

　　SPI4.2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SPI4.2總線連接兩個(gè)芯片的示意圖?？梢?jiàn)，SPI4.2總線的信號(hào)在發(fā)送和接收方向完全對(duì)稱(chēng)而又互相獨(dú)立，數(shù)據(jù)鏈路和狀態(tài)鏈路分開(kāi)，并且其時(shí)鐘也是完全分開(kāi)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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　　圖1 SPI4.2連接示意圖

　　SPI4.2總線具有以下特點(diǎn)：

　?、?點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連，收發(fā)數(shù)據(jù)鏈路寬度為16位。

　?、?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。

　?、?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DIP4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(lèi)型是LVTTL或LVDS。SPI4.2 發(fā)送時(shí)序如圖2所示。如果選擇LVTTL，則SCLK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。

　?、?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(guò)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DIP2交織校驗(yàn)碼，以提高傳輸可靠性。

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　　圖2 SPI4.2 發(fā)送時(shí)序

　　除了數(shù)據(jù)包中最后一段不滿(mǎn)16字節(jié)的數(shù)據(jù)(EOP)之外，SPI4.2總線的數(shù)據(jù)實(shí)行突發(fā)傳輸，以16字節(jié)為單位(稱(chēng)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(guò)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(kāi)始標(biāo)志、包結(jié)束標(biāo)志、邏輯端口地址和DIP4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[1]。

　　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(guò)程中。當(dāng)狀態(tài)是“飽”時(shí)，說(shuō)明隊(duì)列幾乎滿(mǎn)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(shuō)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SPI4.2總線初始化時(shí)設(shè)定的參數(shù)，MaxBurst1不得小于MaxBurst2。