基于FPGA的千兆以太网通信板的设计与实现

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第39卷第i期JournalofHena河n南N师orm范a大lU学n学iv报ers(it自y然(N科at学ur版al)ScienceEdition)．39No．12011年1月Jan．2011文奄编号：1000—2367(2011)O1—0086—04基于FPGA的干兆以太网通信板的设计与实现王长清，陈栋(1．河南师范大学物理与信息工程学院，河南新乡453007；2．新乡学院现代教育技术中心，河南新乡453003)摘要：针对CPCI架构通用信号处理平台上利用系统自身以太网络接口实现数据传输效率低、扩展性差等问题，提出一种采用高速Link口基于FPGA上硬核PowerPC405的嵌入式千兆以太网通信实现方案，详细说明了以太网通信板卡的硬件和逻辑的实现，并分析了TCP／IP性能最大化的技术．关键词：千兆以太网；FPGA；PowerPC405中图分类号：TNg19．6文献标志码：A传统基于CPCI架构通用信号处理平台，由于其并行CPCI总线物理传输速率的限制，加上存在以太网协议系统消耗，造成通过主板网络接口数据传输效率很低，远远不能满足雷达、声纳等复杂系统对网络通讯带宽的需求j．采用新型高性能FPGA芯片，利用高速Iink口4GByte／s传输带宽，开发新的千兆以太网通信板，实现以太网和高速Link口数据的交互，解决通用CPCI架构信号处理平台之间数据传输的IO瓶颈问题．千兆以太网通信板是满足CPCI规范的一个功能模块，可以灵活的应用到模拟器、信号处理和数据采集等实际CP—cI架构系统中，从而满足武器装备系统网络化、通用化、一体化、模块化的要求．1基于FPGA的千兆以太网通信板的系统应用基于FPGA的千兆以太网通信板在CPCI架构通用信号处理平台上实现声纳模拟系统应用时实现框图如下图1示，模拟的声纳信号需要通过以太网传送给Linux集群计算机．在基于FPGA的千兆以太网通信卡的信号处理平台上，DSP板、A／D板、D／A板千兆以人网和千兆以太网通信板之间的高速、大容量数以以据交换是通过高速Link口来实现的．系统间太太路LinuxAD网网的数据交互是通过千兆以太网实现的，利用}{数数由集群DA据据器计算高速Link口，通过千兆以太网数据通信板，通通机讯讯实现系统高速Link口和千兆以太网的无缝板板12衔接，从而能够解决CPCI总线带宽问题，实CPC1架构信号处理甲台现数据的和Linux集群机等其他应用系统的共享和交互．CPCI总线(32bit×33Mhz)千兆以人网主要用于实现系统主板和功能板卡(DSP图l基于FPGA的干兆以瓜网通信板的系统心用原理图板、A／D板、D／A板或千兆以太网通信板)，以及功能板卡间数据互连，完成系统控制、配置和低速数据传输等功能．在CPCI架构通用信号处理平台和Linux集群计算机之间实现高速网络数据交互的实现主要工作是开收稿日期：2010-07—12基金项目：河南省教育厅科技攻关项目(2006510012)作者简介：王长清(1973一)，男，河南安阳人，河南师范大学副教授，博士，主要从事嵌入式系统设计和信号处理研究 第1期王长清等：基于FPGA的千兆以太网通信板的设计与实现87发Link链路口到以太网通信的CPCI架构板卡．2基于FPGA的千兆以太网通讯板卡的开发本设计采用了基于PowerPC405处理器的SOPC解决方案，实现了基于FPGA的高速嵌入式通信系统板卡，数据通过千兆以太网实现系统间互连与共享，主要介绍硬件和逻辑开发方面工作．2．1通讯板硬件开发设计的千兆以太网通信板卡符合CPCI架构U6板卡标准，是基于XilinxXC4VFX20系列FPGA，内部集成了PowerPC405处理器，1000M以太网MAC模块，运行频率高达300MHz．FPGA实现Iink链路口数据到以太网MAC层数据的转换．PCI接口芯片本地总线的接口逻辑，系统控制等功能．PLX9056实现了CPCI接口逻辑．在板上扩展了两片MICRON公司的256MbDDR内存，作为上电时操作系统的加载和运行空问．采用Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1ll1和带隔离器的RJ45接口，加上FPGA中的MACIP核实现网络数据的传输功能．PlatformFlash用于存储FPGA配置文件和系统文件．本设计扩展了1个RS422串行接口用于嵌入式软件的调试．整个系统的硬件功能原理结构框图如图2所示．在进行电路设计时，要特别注意作为电路核心器件FPGA各个引脚的连接．重要快速的时钟信号必—==—HPlatformFASHILINK：须接到全局时钟引脚上；和DDR、PHY芯片连接引，；9nlHlDDRSDRAMIHPHYI*--脚所在的BANK需要提供电压参考要考虑DDR、CPCI霭司]PHY芯片的工作电压；DDR布线时，数据和地址线!要等长走线，数据线之间误差控制在10Mil内，地址2于FPGA的Link链路到以太刚的通讯板膏结构框图线误差要控制在20Mil以内，时钟也需要走差分等长线，长度应大于地址线l2]．2．2FPGA中逻辑开发开发采用Xilinx公司的EDK10．1和ISE10．1工具软件，EDK称为嵌入式开发工具包，由XPS(XilinxPlatformStudio)，SDK(SoftwaredevelopmentKit)，CreatImportperipheral和Bashshell组成．开发者可以调用上述所有工具，来完成整个的嵌入式系统开发．在XPS环境下添加所需的IP核，生成硬件系统框架；调用Platgen生成嵌入式处理系统的网表文件(．NGC文件)，通过软件描述文件(．MSS文件)来设置系统软件配置，并调用Libgen生成驱动层和库；在XPS工程中添加应用软件项目并编写应用软件，把EDK中编写好的工程作为一个模块，加入到ISE工程中，然后统一编译，然后调用处理器对应的编译器编译并和硬件综合后生成的．bit文件合成后下载到目标板便可以进行调试了[3．基于FPGA的嵌入式千兆以太网的通讯功能实现逻辑如下图3所示．FPGA中逻辑开发参考Xilinx公司的GSRD参考设计方案．Virtex4FPGA芯片中嵌人了PowerPC405处理器是针对嵌入式处理器开发应用推出的一种32位嵌入式处理器内核，它是一种硬核结构，提供了相应的总线架构，丰富的IP核资源，以及方便、高效的设计开发工具，简单但灵活性强，在目标器件中可以任意配置．多端口存储器控制器(MPMC)有效分配了PowerPC指令／数据PLB接口与一个通信用直接存储器访问控制器(CDMAC)问的可用存储器带宽．CDMAC通过Xilinx标准IocalLink流线接口提供两个连接到外设的DMA双向通道(以太网接口数据通路和LINK链路口通路)．CDMAC实现了数据重排，用于支持存储器中的分组缓冲器的强制排列．Lo—calLink千兆位级以太网MAC(LLGMAc)外设整合了经过UNH测试的XilinxLogiCORE1-Gigabit以太网MAC，可以提供1Gbps1000一BASE—X以太网接口．IIGMAC实现了发射通路和接收通路上的校验和卸载功能，从而实现了最优的TCP性能．使用的是UartLite模块，设置需要的波特率和校验类型，来实现异步收发器功能． 88河南师范大学学报(自然科学版)图3基于TCP／IP的数据分发系统实现框架3性能优化硬件确定好后，TCP／IP协议的系统消耗成为提高系统网络带宽的主要因素．下面从单位字节、单位包的处理成本和系统架构三方面讨论实现千兆位以太网TCP／IP性能最大化的技术]．3．1TCP／IP单位字节处理成本产生单位字节处理成本的两个最常见的操作是缓冲区复制和TCP校验和计算．可以引入零复制软件API函数，并将校验和计算利用FPGA逻辑结构实现，将有助于减少单位字节处理成本．Linux和其他操作系统提供了类似的零复制特性，已经引入了用于此目的的软件接口，这些软件特性允许消除用户应用程序与TCP／IP栈或操作系统之间的缓冲区复制．校验和卸载是以太网外设的一种特性．它允许当以太网帧在主存储器与外设的硬件FIFO之间传输时，在FPGA结构中进行TCP有效载荷的校验．这些系统特性消除了代价较高的缓冲区复制与处理器校验和操作，让处理器专心执行协议操作和用户功能．可以在下面的实验数据中得到验证．3．2TCP／IP单位包处理成本包中断、硬件接口和头处理等数据发送与接收操作构成单位包处理成本，特别是在传输小包时，中断处理成本对处理器和存储器子系统构成相当大的负担．利用NAPI结合巨帧传输技术用来减少中断处理成本．3．3系统架构存储器带宽对高性能网络连接应用来说是一个重要考虑事项．利用了多端口DDRSDRAM存储器控制器，在PowerPC处理器本地总线(PLB)接口与两个数据端口间分配存储器带宽．每个数据端口连接到一个直接存储器访问(DMA)控制器，从而允许硬件外设对存储器进行高带宽访问．系统的分散一收集与校验和卸载特性为零复制功能提供了所需的硬件支持．分散一收集特性是DMA控制器的一种灵活性，它允许软件缓冲区位于任意字节偏移处．这避免了处理器复制未对齐或碎片化的缓冲区．对于需要使用嵌入式操作系统的应用，可提供MontaVistaLinux端口和来自Treck的商业独立TCP／IP栈，以满足具有最高带宽要求的应用．4性能测试测试环境：系统板卡：PPC405Clock一300MHzMPMC／DDRClock一300MHz 第1期王长清等：基于FPGA的千兆以太网通信板的设计与实现89PLBv46Clock一1OOMHZXPS_IL—TEMACClock一300MHz测试主机：Pentium(R)Clock—l600MHz内存768MB千兆以太网卡WindowsxpSP3iPerf网络测试软件表l基于TCP／IP协议干兆以太网优化后传输速率表从测试的结果看，利用经零复制，校验和卸载优化过的Treck公司的TCP／IP协议栈，采用9000Byte巨帧可以实现高达641Mbps的传输速率．5结论通过开发的基于FPGA的Link口到以太网的通信板，利用优化后的TCP／IP协议栈，解决了原来CPCI架构信号处理平台上利用PCI总线进行数据分发和转存的Io瓶颈问题．基于FPGA的Link链路到以太网的通信板已经成功应用于某型声纳信号模拟器上，并且作为一个通用以太网数据分发模块可以应用于CPCI架构雷达、声纳信号处理和数据采集等系统应用领域．参考文献[1]王长清．通用信号处理平台数据存储技术研究与实现F-D]．北京：中科院声学研究所，2010．[2]XilinxInc．ProductSpecification．ML405EvaluationPlatformuserguide[EB／OL]．[2009一10—15]．www．xilinx．corn．[3]田耕，胡彬．XilinxISEDesignSuitel0．XFPGA开发指南——DsP、嵌入式与高速传输篇[M]．北京：人民邮电出版社，2008．[4]刘春红，张聪品，张恩．基于Linux的嵌入式Web服务器网络协议栈的设计[J]．河南师范大学学报：自然科学版，2008，36(4)：40—42[5]ChriesBorrelli．用PowerPC实现高带宽TCP／IP性~[EB／OL]．[2010—04一l5]．WWW．xilinx．com，2006．DesignandRealizationofGigabitEthernetAdapterBasedonFPGAWANGChang—qing，CHENDong(1．CollegeofPhysicsandInformationEngineering，HenanNormalUniversity，Xinxiang453007，China2．ModemEducationTechnologyCemter，XinxiangCdllege，Xinxiang453003，China)Abstract：AimingattheproblemoflowGigabitEthernetdatatrar~smissionefficiencyandpoorexpansibilityofgeneralsignalprocessingplatformbaseonCPCIsystemarchitectures，thispaperusesLinkporttOrealizeGigabitEthernetdatatrans—missionsystemonembeddedPowerPC405hardwarecoreintheFPGA．TheimplementationsofGigabitEthernetdatatransmis—sionadapteraredescribedindetail．ThetechnologyofElhernetdatatransmissionbaseonTCPfIPtOmaximizeperformanceisanalyzed．Keywords：GigabitEthernet；FPGA；PowerPC405