基于MPSoC的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 研究了以太網(wǎng)在多核系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)IP核到MPSoC網(wǎng)絡(luò)資源的硬件接口。闡述了設(shè)計(jì)中各模塊的實(shí)現(xiàn)功能和設(shè)計(jì)方法，通過仿真和FPGA驗(yàn)證結(jié)果表明，以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)通訊具有實(shí)時(shí)和高吞吐率。實(shí)現(xiàn)了多核系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的信息傳遞，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞 千兆以太網(wǎng)；MPSoC；數(shù)據(jù)通信

    隨著電子信息技術(shù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信在日常生活中應(yīng)用越來越廣泛，以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷了10 Mbit·s-1到10 Gbit·s-1的發(fā)展歷程。當(dāng)前電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，片上多核系統(tǒng)(Multi-processor system-on-chip，MPSoC)在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中成為主要的硬件結(jié)構(gòu)方案。這類系統(tǒng)通常用以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信，以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵部分。
    數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，隨著市場激烈競爭，系統(tǒng)開發(fā)周期要求也變得苛刻，目前，片上多核系統(tǒng)基于IP核的設(shè)計(jì)成為了主流趨勢。系統(tǒng)性能的提高，片上集成的處理器數(shù)量也不斷增多，基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的片上多核系統(tǒng)相比總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢越來越顯著。Xilinx公司和Ahera公司開發(fā)的FPGA芯片針對不同型號，都提供了許多不同類型和不同功能的IP核。然而，復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，采樣FPGA實(shí)現(xiàn)，在開發(fā)難度和成本上占有明顯優(yōu)勢。

1 MPSoC系統(tǒng)架構(gòu)
    MPSo采用NoC(Network-on-Chip，NoC)通訊結(jié)構(gòu)，處理器和IP核通過資源接口與網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，處理器與IP核采用總線通訊方式形成簇結(jié)構(gòu)，簇、以太網(wǎng)模塊和DDR模塊通過資源接口與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。圖中運(yùn)算簇集成了兩個(gè)處理器，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，轉(zhuǎn)置簇集成一個(gè)ARM控制器承擔(dān)數(shù)據(jù)的行與列交換，DDR模塊為片外存儲芯片的控制器，以太網(wǎng)承擔(dān)著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊模塊，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

2 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
    以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)主要完成以太網(wǎng)控制器IP核用戶端接口協(xié)議與多核系統(tǒng)網(wǎng)路通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)接口硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，以太網(wǎng)控制器IP核為Xilinx公司ISE軟件例化生成的千兆網(wǎng)控制器。接收模塊完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出到以太網(wǎng)控制器IP核用戶端數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送模塊承擔(dān)以太網(wǎng)控制器用戶端數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)路數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議匹配。網(wǎng)絡(luò)接口模塊為多核系統(tǒng)通訊資源接口。

2．1 幀格式定義
    圖3所示為兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)格式定義。以太網(wǎng)IP核用戶接口數(shù)據(jù)以幀格式定義數(shù)據(jù)的輸出或輸入，數(shù)據(jù)寬度為8位，幀數(shù)據(jù)長度范圍為64～1 518 Byte，在具體硬件設(shè)計(jì)中一般選擇固定數(shù)據(jù)長度傳輸，使硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單。具體格式如圖3(a)所示，先輸入的數(shù)據(jù)為目的網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)地址，數(shù)據(jù)長度為6Byte。其次是6 Byte的源片網(wǎng)絡(luò)地址。接著為幀傳輸定義的類型或數(shù)據(jù)傳輸長度，長度占2 Byte，數(shù)據(jù)長度通常在數(shù)據(jù)幀比較短情況指定。如0010，表示后面?zhèn)鬏數(shù)?6個(gè)數(shù)據(jù)是有效的，傳輸多余長度的數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)控制器IP核默認(rèn)為無效數(shù)據(jù)。而采用類型定義來傳輸幀，在數(shù)據(jù)傳輸長度范圍內(nèi)，結(jié)束控制信號以前的數(shù)據(jù)都表示為有效數(shù)據(jù)。文中選用512的固定數(shù)據(jù)傳輸長度和8 000標(biāo)識的幀類型完成硬件設(shè)計(jì)。

    網(wǎng)路接口數(shù)據(jù)包格式如圖3(b)所示，數(shù)據(jù)深度定義為變長，數(shù)據(jù)寬度為34位，為多核系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)傳輸提供良好的協(xié)調(diào)作用。第一個(gè)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的路由包，其后一個(gè)數(shù)據(jù)為配置信息，稱為配置包。接著為不定長度有效數(shù)據(jù)包。有效數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束后，緊接著發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束包。

    網(wǎng)路數(shù)據(jù)包中不同包類型的格式定義，具體描述如圖4所示，數(shù)據(jù)高2位標(biāo)識不同包格式類型。當(dāng)高2位為11 B時(shí)，標(biāo)識為路由包，其中第28～17位表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，第16位到第9位定義數(shù)據(jù)源傳播的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)地址，低8位定義為數(shù)據(jù)通訊的目的網(wǎng)絡(luò)地址，剩下數(shù)據(jù)位定義為保留位。當(dāng)高2位為10B時(shí)，標(biāo)識為配置包，其他位根據(jù)通信需求，設(shè)置不同配置信息。當(dāng)高2位為00B時(shí)，標(biāo)識為數(shù)據(jù)包，剩余位為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)信息。當(dāng)高2位為01B時(shí)，標(biāo)識為結(jié)束包，其它位為保留位。
2．2 接口時(shí)序圖
    以太網(wǎng)控制器IP核接口時(shí)序如圖5(a)所示。主要有3類信號：時(shí)鐘信號、控制信號和數(shù)據(jù)信號。時(shí)鐘信號為clock。而控制信號有sof_ n、eof_n、scr_rdy_n，其中sof_n表示幀傳輸開始控制信號，eof_n為幀傳輸結(jié)束控制信號，scr_rdy_n為傳輸有效控制信號，控制信號均為低電平有效。用戶端數(shù)據(jù)信號為Data。網(wǎng)路接口側(cè)時(shí)序圖如圖5(b)所示。信號包括ip_stb、ip_ack、ip_fail、ip_fwd、ip_cancal、ip_sus pond。它們?yōu)槎嗪讼到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的完成握手應(yīng)答傳輸機(jī)制?？刂菩盘柧鶠楦唠娖接行?，ip_data是數(shù)據(jù)傳輸信號。

2．3 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)
    發(fā)送模塊完成數(shù)據(jù)以太網(wǎng)IP核接口到網(wǎng)路的數(shù)據(jù)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，如圖2所示。該模塊包括發(fā)送讀控制器，發(fā)送數(shù)據(jù)緩存模塊和發(fā)送寫控制器。發(fā)送讀控制器完成目的地址、源地址和數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)信息截?cái)?，把傳播的有效?shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩存模塊中，設(shè)計(jì)通過一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)結(jié)合計(jì)數(shù)器來完成功能的實(shí)現(xiàn)。發(fā)送數(shù)據(jù)緩存模塊用一個(gè)異步FIFO來承擔(dān)，同時(shí)完成數(shù)據(jù)8～32位的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)展，同時(shí)完成跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。由于該模塊數(shù)據(jù)讀入是高時(shí)鐘頻率的8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀出是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下的32位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的流動是由慢到快的傳遞過程，因此選用一個(gè)深度為64的FIFO單元來承擔(dān)。發(fā)送寫控制模塊通過讀取緩存模塊中的數(shù)據(jù)，配置發(fā)送數(shù)據(jù)的有效信息，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式封裝，最后傳輸至多核系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)資源接口。
2．4 接收模塊設(shè)計(jì)
    接收模塊承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包協(xié)議到以太網(wǎng)IP核接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，包含接收寫控制器、接收數(shù)據(jù)緩存模塊和接收讀控制器。接收寫控制器模塊設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)絡(luò)控制信號和FIFO標(biāo)識信號以及當(dāng)前狀態(tài)改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。根據(jù)不同狀態(tài)產(chǎn)生控制信號，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包、配置包、結(jié)束包和負(fù)載信息的截取，把傳播的有效數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)緩沖模塊。數(shù)據(jù)緩存模塊把32位網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到8位寬的以太網(wǎng)控制器接口數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跨時(shí)鐘域傳輸任務(wù)。該數(shù)據(jù)流動方向，速度是由快到慢的過程，結(jié)合硬件邏輯資源和任務(wù)請求的頻度，該設(shè)計(jì)選用一個(gè)深度為1 024，寬度為32的異步FIFO單元來承擔(dān)。接收讀控制器模塊通過讀取緩存FIFO中數(shù)據(jù)，配置發(fā)送數(shù)據(jù)的源和目的網(wǎng)卡地址及幀類型，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的封裝，傳輸至以太網(wǎng)IP核用戶端接口。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    該硬件結(jié)構(gòu)在Xilinx M525開發(fā)板上驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA芯片型號為Virtex-5 XC6VLX550T，其中芯片邏輯資源為207360，存儲資源為11．39 MB，寄存器資源為207 360，系統(tǒng)硬件在FPGA中資源占用如表1所示。

    表1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過ModelSim功能仿真后，在Xilinx ISE工具上綜合后的結(jié)果，綜合頻率高達(dá)245．562 MHz。在系統(tǒng)運(yùn)行中，以太網(wǎng)控制器IP核時(shí)鐘工作頻率在125MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100MHz。通過仿真和FPGA下載驗(yàn)證后，接口通訊時(shí)鐘周期統(tǒng)計(jì)如表2所示。

    通過表2可以看出，以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)在完成兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換和跨時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸中，通訊響應(yīng)時(shí)間短，且具有實(shí)時(shí)和穩(wěn)定傳輸，避免了異步時(shí)鐘在數(shù)據(jù)傳輸中的效率問題。
    實(shí)驗(yàn)測試，把FPGA開發(fā)板與PC機(jī)通過網(wǎng)線連接，如圖6所示。在PC機(jī)上編寫軟件程序，用于發(fā)送和接收硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過修改數(shù)據(jù)文件，測試不同深度的數(shù)據(jù)傳輸。比較發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)文件，判斷傳輸誤碼率。

    實(shí)驗(yàn)測試了不同文件大小的數(shù)據(jù)傳輸需要時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果，發(fā)送與接收文件數(shù)據(jù)，與預(yù)期結(jié)果一致。通訊時(shí)間與數(shù)據(jù)文件大小近似于線性關(guān)系，且傳輸時(shí)間短。以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)模塊為MPSoC承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，提供了實(shí)時(shí)和高吞吐率的通訊速度。此外，以太網(wǎng)模塊可以用于系統(tǒng)單模塊集成調(diào)試傳輸源數(shù)據(jù)，提高驗(yàn)證效率。以太網(wǎng)接口模塊也可以應(yīng)用于通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通訊信息的交換。

4 結(jié)束語
    研究了以太網(wǎng)在MPSoC中的數(shù)據(jù)通訊，解決了系統(tǒng)在網(wǎng)路通訊中的實(shí)時(shí)和高吞吐率的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。通過該接口與多核系統(tǒng)通訊，可以完成局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳遞。