嵌入式高速串行总线技术——基于FPGA实现与应用 9787121302794 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

张峰 著

图书标签:

• FPGA
• 高速串行总线
• 嵌入式系统
• 通信协议
• 数字电路
• 信号完整性
• 硬件设计
• 电子工程
• 技术开发
• 应用实践

店铺： 博学精华图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121302794

商品编码：29645565126

包装：平装-胶订

出版时间：2016-11-01

基本信息

书名:嵌入式高速串行总线技术——基于FPGA实现与应用

：68.00元

售价：49.6元,便宜18.4元,折扣72

作者:张峰

出版社：电子工业出版社

出版日期：2016-11-01

ISBN：9787121302794

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

总线，早始于计算机领域，是指汇集在一起的多种功能的线路；后经深化并延伸，则是指计算机各模块及计算机之间的一种通信系统，涉及硬件（器件、线缆、电平）和软件（通信协议），其应用被引入嵌入式领域后，用于嵌入式系统的芯片级、板级、设备级的互连。本书主要涉及嵌入式系统中的高速串行总线技术，传输速率在Gbps量级。本书首先按时间的先后顺序梳理出计算机和嵌入式系统中常用的总线技术；然后介绍并基于FPGA实现了目前嵌入式系统中常用的高速串行总线技术，如Serdes、JESD204、SRIO、PCIE、Aurora、SATA总线，侧重于终端技术实现；后论述嵌入式系统中的常用总线架构，涉及CPCIE、VPX、FC、Infiniband总线架构技术，侧重于整机设计。

目录

目 录
第1篇 计算机和嵌入式系统中常用总线的发展历程及趋势
第1章 总线的发展历程及后续趋势3
1.1 总线的出现及定义3
1.2 PC总线的发展5
1.2.1 ISA总线6
1.2.2 PCI/PCI-X总线7
1.2.3 PCIE总线9
1.2.4 ATA/SATA——面向存储的高速总线10
1.3 嵌入式系统总线的发展12
1.3.1 嵌入式系统的出现12
1.3.2 PC104总线——ISA总线的嵌入式系统应用13
1.3.3 Compact PCI总线——PCI总线的嵌入式应用15
1.3.4 Compact PCIE架构及其在嵌入式的应用18
1.3.5 SRIO总线——嵌入式系统的多处理器间互连19
1.3.6 JESD204总线——面向ADC、DAC的串行通信总线结构21
1.3.7 FC标准——通道技术与网络技术的结合22
1.3.8 VPX架构——嵌入式串行总线的集大成者23
1.4 总线领域三次革命成因与效能分析25
1.5 高速串行总线技术的优点及共同点分析28
1.6 高速串行总线的后续发展方向29
1.6.1 速率继续提升30
1.6.2 采用多阶电平传输30
1.6.3 激光通信可行性及其小型化考虑31
1.6.4 延伸阅读——激光通信代替微波通信32
1.7 参考文献34
第2篇 嵌入式系统中常用的高速串行总线及其FPGA实现
第2章 基于SERDES的高速数据传输技术39
2.1 SERDES技术简介39
2.2 SERDES物理层——LVDS电平概述40
2.3 基于FPGA的SERDES传输技术概述42
2.3.1 FPGA对LVDS电平的支持42
2.3.2 FPGA内部的并/串转换原语结构OSERDESE2/ISERDESE243
2.3.3 基于SERDES原语的传输速率分析44
2.4 基于FPGA实现SERDES原语的高速数据传输45
2.4.1 SERDES发送端设计——设置OSERDESE2相关参数45
2.4.2 SERDES接收端设计——配置ISERDESE2的相关参数54
2.4.3 实现SERDES通信功能59
2.5 延伸阅读——FPGA时序优化以及自适应延时调整的SERDES传输技术61
2.5.1 时钟位置优化——减少由时钟位置造成的延时61
2.5.2 时序优化——OFFSET约束63
2.5.3 时序优化——MAXSKEW约束64
2.5.4 基于Idelay的延时调整技术64
2.5.5 基于Idelay的自适应动态延时调整技术66
2.6 小结67
2.7 延伸阅读——后起之秀：Xilinx公司及其FPGA67
2.8 参考文献69
第3章 基于JESD204协议的ADC、DAC数据传输71
3.1 JESD204协议概述71
3.2 JESD204协议分析74
3.2.1 JESD204物理层分析74
3.2.2 帧填充76
3.2.3 8B/10B编/解码77
3.2.4 加/解扰码（Scrambling/De-Scrambling）79
3.2.5 JESD204协议接收状态机分析80
3.3 基于GTX实现JESD204协议82
3.3.1 可行性分析——物理层规范兼容83
3.3.2 物理层GTX结构分析83
3.3.3 基于GTX的JESD204协议功能模块构建88
3.3.4 JESD204协议若干技术点分析99
3.4 小结104
3.5 参考文献104
第4章 基于SRIO总线的高速通信结构105
4.1 SRIO总线——面向嵌入式系统互连105
4.1.1 嵌入式总线与PC总线应用分道扬镳105
4.1.2 SRIO技术针对嵌入式系统互连107
4.1.3 SRIO VS PCIE VS Ether VS Others108
4.2 SRIO协议分析110
4.2.1 SRIO协议层次结构110
4.2.2 SRIO物理层规范111
4.2.3 数据包及操作类型113
4.2.4 链路同步115
4.2.5 链路编码115
4.2.6 配置空间117
4.3 基于SRIO总线的点对点通信功能实现117
4.3.1 创建SRIO工程118
4.3.2 SRIO工程结构分析126
4.3.3 SRIO点对点通信的关键技术分析及实现128
4.3.4 SRIO IP核点对点通信功能测试130
4.4 基于SRIO总线的交换结构通信功能实现131
4.4.1 基于SRIO总线的交换结构概述131
4.4.2 SRIO交换芯片80HCPS1616简介131
4.4.3 SRIO交换芯片80HCPS1616配置133
4.4.4 80HCPS1616的I2C配置接口137
4.4.5 Maintenance帧配置SRIO交换芯片139
4.4.6 SRIO交换结构的通信性能测试142
4.5 小结144
4.6 延伸阅读——串行总线技术再提速，从信息不确定性说起145
4.7 参考文献146
第5章 基于PCIE总线的高速数据传输技术149
5.1 PCIE总线概述149
5.2 PCIE协议分析151
5.2.1 PCIE 拓扑结构151
5.2.2 PCIE分层结构151
5.2.3 PCIE链路编码与扰码153
5.2.4 PCIE 地址空间与事务类型153
5.2.5 延伸阅读——PCIE总线链路同步154
5.3 基于PCIE协议的点对点通信功能实现157
5.3.1 FPGA内嵌PCIE硬核简介157
5.3.2 建立PCIE点对点通信工程158
5.3.3 PCIE IP核源代码分析171
5.3.4 PCIE节点接收流程分析173
5.3.5 PCIE节点发送流程分析174
5.3.6 基于PCIE协议的点对点通信功能测试175
5.4 小结176
5.5 延伸阅读——再论马太效应：从PCIE代替AGP总线说起177
5.6 参考文献178
第6章 基于Aurora协议的高速传输技术181
6.1 Aurora总线概述181
6.2 Aurora总线协议分析181
6.2.1 Aurora总线通信模型181
6.2.2 Aurora物理层电气特性182
6.2.3 Aurora数据帧结构184
6.2.4 Aurora链路同步185
6.3 基于Aurora总线的通信功能实现188
6.3.1 建立Aurora总线测试工程188
6.3.2 Aurora总线协议文件及接口分析192
6.3.3 Aurora总线帧模式与流模式194
6.3.4 Aurora总线通信性能分析及测试196
6.4 小结198
6.5 延伸阅读——Xilinx公司及其Aurora总线198
6.6 参考文献199
第7章 基于SATA总线的高速数据存储技术201
7.1 多种高速数据存储方式涉及的总线形式202
7.1.1 基于ATA总线标准的数据存储方式202
7.1.2 基于SCSI总线标准的高速数据存储方式203
7.1.3 基于SAS/SATA总线标准的高速数据存储方式205
7.1.4 延伸阅读——基于Nand Flash阵列的高速数据存储方式208
7.1.5 延伸阅读——基于eMMC及阵列的高速数据存储方式209
7.1.6 多种存储实现方式的比较与分析210
7.2 SATA协议分析211
7.2.1 SATA的分层结构211
7.2.2 SATA启动过程212
7.2.3 SATA数据帧与编码213
7.3 SATA协议IP核的FPGA实现216
7.3.1 Virtex-5 FPGA GTX简介216
7.3.2 SATA协议物理层实现218
7.3.3 SATA协议的OOB通信226
7.3.4 SATA协议的链路层及传输层关键技术分析228
7.3.5 SATA协议的应用层实现分析231
7.3.6 SATA 协议IP核测试231
7.4 小结232
7.5 延伸阅读——基于DNA的生物学存储技术234
7.6 参考文献236
第3篇 整机设计的嵌入式系统高速数据总线
第8章 CPCIE总线架构239
8.1 CPCIE总线简介239
8.2 CPCIE系统中功能模块分类241
8.3 CPCIE系统连接关系与信号定义242
8.3.1 连接器类型242
8.3.2 系统板245
8.3.3 外设板248
8.3.4 交换板249
8.4 CPCIE系统整机设计要素251
8.4.1 功能模块标识251
8.4.2 供电要求252
8.4.3 时钟设计253
8.5 小结253
8.6 参考文献254
第9章 VPX总线架构255
9.1 VPX总线的起源255
9.2 VPX协议族分析257
9.3 VPX协议的典型应用259
9.4 连接关系与信号定义260
9.5 整机设计要素265
9.5.1 模块防插错设计265
9.5.2 电源设计266
9.5.3 功能模块与背板信号映射关系267
9.6 VPX架构与CPCIE架构的异同270
9.7 小结270
9.8 参考文献270
第10章 FC总线技术的实现与应用273
10.1 FC技术简介273
10.1.1 FC技术的出现——从大数据、云及SAN存储说起273
10.1.2 FC技术的优点275
10.1.3 FC技术的发展路标276
10.1.4 FC在机载航电系统中的应用277
10.2 FC协议分析277
10.2.1 拓扑结构277
10.2.2 分层结构278
10.2.3 协议组成279
10.2.4 数据流程281
10.2.5 数据帧结构与编码281
10.2.6 分类服务283
10.2.7 接口形式286
10.3 FC协议通信实现分析286
10.3.1 Xilinx公司IP核实现方案286
10.3.2 FC专用ASIC芯片实现方案288
10.4 小结289
10.5 参考文献289
第11章 Infiniband总线技术的实现与应用291
11.1 Infiniband总线概述291
11.2 Infiniband协议分析293
11.2.1 分层结构293
11.2.2 消息传输方式294
11.2.3 链路编码与数据帧结构295
11.3 Infiniband协议实现及应用296
11.4 小结297
11.5 参考文献298
附录A 简写索引299
附录B 插图目录303
附录C 表格目录309
附录D 本书创作过程中的随笔313
致谢320

作者介绍

张峰，男，博士，高级工程师，从事通信领域10多年，对高速总线系统有深刻的理解，并且有丰富的科研和项目实践经验。

文摘

序言

《嵌入式高速串行总线技术——基于FPGA实现与应用》 内容梗概： 《嵌入式高速串行总线技术——基于FPGA实现与应用》是一部深入探讨嵌入式系统中高速串行总线技术原理、实现方法及其在实际应用中关键要素的专业著作。本书旨在为读者提供一个系统、全面且极具实践指导意义的学习框架，帮助工程师和技术爱好者深入理解并掌握当前嵌入式领域最前沿的高速串行通信技术。 本书内容结构清晰，从基础理论出发，逐步深入到具体的技术细节和实现方案，最终落脚于实际的应用场景。全书共分为八个主要章节，并辅以附录，确保内容的完整性和深度。 第一章：引言与基础概念 本章首先阐述了嵌入式系统发展现状以及对高速数据传输能力日益增长的需求，引出了高速串行总线技术的重要性。接着，本章对串行通信的基本原理进行了回顾和梳理，包括数据编码、时钟同步、信号完整性等核心概念。在此基础上，详细介绍了高速串行总线技术在嵌入式系统中的优势，例如高带宽、低功耗、节省引脚资源等，并简要概述了当前主流的高速串行总线接口类型，为后续章节的学习奠定了坚实的基础。 第二章：FPGA在高速串行通信中的角色 本章聚焦于FPGA（现场可编程门阵列）在构建高速串行通信系统中的核心作用。首先，深入分析了FPGA的架构特性，尤其是其灵活的逻辑资源、丰富的DSP单元以及专用高速收发器（SerDes）在实现高速串行接口方面的独特优势。接着，详细介绍了FPGA内部用于实现串行通信的关键模块，如收发器（Transceiver）、PLL（锁相环）、CDR（时钟数据恢复）等，并解释了它们的工作原理和配置方法。此外，本章还探讨了使用FPGA实现不同高速串行总线协议的通用方法和设计流程，包括HDL（硬件描述语言）设计、IP核的使用以及综合、布局布线等关键步骤。 第三章：主流高速串行总线接口解析 本章对当前嵌入式系统中应用最广泛的几种高速串行总线接口进行了详细的解析。 PCI Express (PCIe): 详细介绍了PCIe协议的层次化架构，包括事务层（Transaction Layer）、数据链路层（Data Link Layer）和物理层（Physical Layer）。重点讲解了PCIe的包（Packet）结构、事务处理机制、流控制、错误检测与纠正等关键特性。对于FPGA实现PCIe接口，本章会讨论如何利用PCIe IP核，配置PCIe的版本（如Gen2, Gen3, Gen4等）和链路宽度，以及相关的时钟要求和物理层设计注意事项。 USB 3.x (SuperSpeed USB): 深入分析了USB 3.0/3.1/3.2等SuperSpeed USB协议的工作原理，包括其数据传输模式（如Endpoint）、通信协议栈、差分信号传输和电源管理。在FPGA实现方面，本章会讲解如何利用USB IP核，或者通过Verilog/VHDL设计PHY层和MAC层逻辑，实现USB Host或Device的功能。 Ethernet (Gigabit Ethernet / 10 Gigabit Ethernet): 重点阐述了千兆以太网和万兆以太网的物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）层的实现。详细介绍了GMII/RGMII/SGMII等接口标准，以及MAC层的数据帧格式、冲突检测、帧同步等。对于FPGA实现，本章会讨论如何利用以太网IP核，例如Xilinx的AXI Ethernet IP或Intel的Ethernet MAC IP，并简要介绍mac层与AXI总线或其他用户逻辑的接口设计。 SerDes (Serializer/Deserializer) 基础: 本章会从更基础的层面，深入剖析SerDes的内部工作原理，包括串行化和解串行化过程，时钟和数据恢复（CDR）技术，以及对信号完整性的要求。重点介绍FPGA内部集成的专用高速SerDes模块，如何配置其速率、预加重（Pre-emphasis）、均衡（Equalization）等参数以优化信号传输质量。 第四章：信号完整性与PCB设计 高速串行通信的成功很大程度上依赖于良好的信号完整性。本章将深入探讨影响信号完整性的关键因素，包括阻抗匹配、串扰、反射、损耗、时域反射（TDR）、眼图（Eye Diagram）分析等。详细介绍PCB（印刷电路板）设计在实现高速串行总线中的重要性，包括差分线对的布线规则、过孔（Via）的设计、地平面（Ground Plane）的构建、去耦电容的放置等。本章将提供实用的PCB设计指南和注意事项，帮助读者在硬件设计阶段避免常见的信号完整性问题。 第五章：FPGA高速串行接口的IP核与驱动 本章将聚焦于FPGA实现高速串行接口的实际工程技术。详细介绍如何选择和配置FPGA厂商提供的专用高速串行IP核，如PCIe控制器IP、千兆以太网MAC IP、SerDes IP等。深入讲解IP核的配置参数，包括接口速率、协议版本、通道数、时钟域设置等。同时，本章还会探讨在FPGA端如何编写驱动程序，实现与IP核的交互，以及用户逻辑与IP核之间的AXI（Advanced eXtensible Interface）总线或其他标准接口的连接。 第六章：高性能通信协议栈的FPGA实现 本章将进一步探讨将高性能通信协议栈（如TCP/IP）的部分或全部功能卸载到FPGA上实现的策略。详细介绍TCP/IP协议栈的关键组成部分，如IP层、TCP层、UDP层，并分析哪些部分适合在硬件中实现以提高性能。本章将提供使用FPGA实现数据链路层（MAC层）和网络层（IP层）逻辑的设计思路，包括包的封装、解封装、校验、路由选择等。同时，还会讨论如何设计高效的DMA（Direct Memory Access）控制器，以实现FPGA与主系统之间的数据高效传输。 第七章：典型应用案例分析 本章通过多个实际应用场景，将前面章节所学的理论和技术进行整合，展示FPGA在嵌入式高速串行总线技术中的应用价值。 高性能网络设备: 分析如何利用FPGA实现万兆以太网的MAC层，构建高性能的网络交换机、路由器等设备。 嵌入式存储系统: 探讨利用FPGA实现NVMe over Fabrics (NVMe-oF) 或其他高速存储接口，构建高性能分布式存储解决方案。 高性能计算与加速: 讲解如何利用FPGA的PCIe接口，实现数据预处理、AI推理等计算任务的硬件加速。 工业自动化与控制: 分析FPGA在实时工业以太网（如EtherCAT, PROFINET）中的应用，以及如何利用高速串行接口实现高精度运动控制和数据采集。 视频图像处理与传输: 探讨FPGA在高清视频流的高速串行传输（如HDMI, DisplayPort）以及实时图像处理中的应用。 第八章：性能优化与未来趋势 本章对FPGA实现高速串行总线技术的性能优化策略进行深入探讨，包括时序约束优化、资源分配优化、并行处理技术、低功耗设计等。同时，本章还会展望高速串行总线技术的发展趋势，例如更高的数据速率、新的通信协议（如CXL, Gen5/Gen6 PCIe）、AI在片上计算中的融合等，以及FPGA在这些未来技术中的潜在角色。 附录： 附录部分将包含一些辅助性的内容，例如常用的FPGA开发工具介绍、高速串行接口相关的标准文档列表、常用的EDA（Electronic Design Automation）工具的使用技巧，以及一些关键术语的解释，为读者提供更全面的参考资料。 本书特点： 理论与实践相结合： 本书不仅深入讲解了高速串行总线技术的理论基础，更强调FPGA的实现方法和实际应用，提供了大量的工程实践指导。 内容全面且深入： 涵盖了从基础概念到高级应用的各个层面，力求为读者构建一个完整而系统的知识体系。 结构清晰，逻辑性强： 各章节之间层层递进，内容衔接自然，便于读者逐步掌握。 案例丰富，针对性强： 通过丰富的实际应用案例，帮助读者理解技术在真实世界中的落地。 面向广泛的读者群体： 无论是初学者还是有一定经验的工程师，都能从本书中获得有价值的知识和启发。 《嵌入式高速串行总线技术——基于FPGA实现与应用》将是任何致力于在嵌入式系统领域进行高性能通信设计和开发的工程师、研究人员以及相关专业学生的宝贵参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调配上简洁的字体，透露出一种技术硬核的气息，但我拿到手后才发现，这本书的价值远不止于此。我原本对这个领域只停留在一些基础概念的理解上，希望通过这本书能对实际应用有更深入的认识。然而，当我翻开前几页，就被作者清晰的逻辑和详尽的图示所吸引。它没有那种枯燥的理论堆砌，而是巧妙地将复杂的概念分解成易于理解的模块。特别是关于信号完整性和阻抗匹配的那几个章节，简直是救星，我以前总是搞不清楚那些S参数和眼图测试到底意味着什么，这本书里用大量的实例和直观的比喻，让我瞬间茅塞顿开。感觉就像是请了一位经验丰富的老工程师坐在旁边，手把手地教你如何避免那些常见的设计陷阱。对于我这种需要快速上手并解决实际问题的工程师来说，这种注重实践的深度讲解，无疑是最好的学习资料。那种将理论与FPGA实现紧密结合的方式，让原本抽象的技术变得触手可及。

评分☆☆☆☆☆

我是一个非常注重阅读体验的人，如果一本书排版混乱、插图模糊，我可能看两页就想合上了。庆幸的是，这本关于高速总线技术的书在印刷质量和版式设计上做得非常出色。纸张的质感很好，即便是长时间阅读也不会觉得眼睛疲劳。更重要的是，书中大量的原理图、波形图和实验框图，都经过了精心绘制和清晰标注。比如，在讲解差分信号的串扰抑制时，作者展示的那几组对比图，线条清晰锐利，不同颜色的区分度很高，让人一眼就能抓住关键点。这对于我们学习需要大量视觉辅助的技术内容来说，太重要了。很多技术书籍为了省成本，图都是随便画画，结果我们自己画图复现时就非常吃力。这本书的细节体现了出版方和作者对读者的尊重，让他们在学习的过程中，能够更加专注于技术本身，而不是去猜测图上某个模糊的标记代表什么。这种高质量的呈现，确实让学习过程变得更有效率，也更令人享受。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期在嵌入式系统领域摸爬滚打的工程师，我深知理论知识的更新速度和实际工程需求的脱节问题。很多老旧的教材虽然经典，但对于当下主流的FPGA架构和最新的高速标准支持不足。这本书给我的最大惊喜，就是它紧密结合了当前行业内主流的FPGA平台和最新的设计规范。作者在介绍实现细节时，并没有停留在通用的HDL代码层面，而是非常具体地提到了在特定FPGA器件上如何利用其内部资源（比如高速收发器、专用PLL/MMCM）来达到最优性能。这对于我们实际进行项目开发至关重要，因为很多性能瓶颈恰恰就出现在如何高效地配置和利用这些昂贵的硬核资源上。书中对一些新兴的SerDes技术趋势的探讨，也显示出作者具有前瞻性的视野，这使得这本书在未来几年内，依然能够保持其较高的参考价值，不会很快被新的技术浪潮所淘汰。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我购买很多技术书籍的目的是为了“查漏补缺”，我更看重的是它能否成为一本可以随时翻阅的“工具书”。这本书在这方面做得非常到位，它的索引和目录结构设计得非常合理，即便是跨章节的知识点，也能通过相互引用快速定位。我尤其欣赏它对不同总线协议（比如PCIe、USB的某些高速层级）的实现细节描述，那种从底层物理层到上层协议接口的层层递进的剖析，非常系统。我前阵子在调试一个高速接口的定时问题时，脑海中第一个闪现的就是书里关于时钟域同步和抖动分析的那一节。我立刻翻到相关页码，里面的公式和计算步骤，配上作者给出的实际设计考量，立刻就指明了我的方向。它不仅仅是告诉你“是什么”，更重要的是告诉你“为什么会这样”以及“如何在这种情况下优化”。这种深度和广度兼备的架构，让它远超了一般的入门指南，更像是一部可供长期参考的、实战经验的浓缩。

评分☆☆☆☆☆

我之前涉猎过一些由国外原著翻译过来的高速设计书籍，那些书虽然内容扎实，但往往在术语的本土化和工程实践的贴合度上稍显水土不服，很多例子和测试环境跟国内的实际开发流程差异较大。而这本国人撰写的专业书籍，在语言风格和工程背景上，与我目前的工作环境高度契合。作者在讨论问题时，那种务实、不绕弯子的表达方式，非常对我的胃口。比如在讨论PCB设计对信号质量的影响时，它会直接提到国内常用的一些板材特性和制造公差带来的实际挑战，而不是用一些非常理想化的模型来搪塞过去。这种“接地气”的讨论，极大地缩短了理论到实践之间的距离。阅读这本书的过程，与其说是在学习，不如说是在与一位经验丰富的同行进行深度交流，这种相互印证和启发的感觉，是我在阅读其他技术书籍时很少体会到的独特体验。