基于千兆以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了千兆以太網(wǎng)接口以及TCP／IP協(xié)議，提出了幾種設(shè)計(jì)方案，講述了一種使用FPGA和MAC軟核建立千兆以太網(wǎng)的方法。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法穩(wěn)定性好、傳輸帶寬高、額外成本低，適用于大多數(shù)高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是一種成本低、性能優(yōu)越、可靠性高的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：千兆以太網(wǎng)；高速數(shù)據(jù)傳輸；FPGA

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)據(jù)傳輸在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中起著重要的作用。普通計(jì)算機(jī)的接口有USB接口、以太網(wǎng)接口，串口等。在速度方面，以太網(wǎng)接口和USB接口速度相對較高，而串口傳輸速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。其中USB2．0最高傳輸速度為480 Mb／s，快速以太網(wǎng)為100 Mb／s，千兆以太網(wǎng)為1 000 Mb／s。此外，光纖接口和PCIe接口傳輸速度也較高，但難以與普通計(jì)算機(jī)互連。因此千兆以太網(wǎng)技術(shù)是電路系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔?。千兆以太網(wǎng)兼容原以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部技術(shù)規(guī)范，包括CSMA／CD協(xié)議，全雙工以及流量控制協(xié)議等。

1 TCP／IP協(xié)議分析
    目前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用的是TCP／IP協(xié)議，TCP／IP體系將網(wǎng)絡(luò)分為應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。

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    TCP／IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議族，集成有數(shù)據(jù)傳輸、流量控制、校驗(yàn)、糾錯(cuò)以及管理等多種功能。要通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，沒有必要實(shí)現(xiàn)完整的TCP／IP協(xié)議，而且在有限的硬件資源上實(shí)現(xiàn)整個(gè)協(xié)議族也是不切實(shí)際的。圖1為TCP／IP協(xié)議族的分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸需要在每一層實(shí)現(xiàn)一種協(xié)議。應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)用戶控制，接收數(shù)據(jù)以及為發(fā)送數(shù)據(jù)做相應(yīng)準(zhǔn)備等。在運(yùn)輸層，選擇UDP協(xié)議。UDP協(xié)議是面向無連接的，它提供不可靠的傳輸服務(wù)，不保證一定能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡亍６鳷CP協(xié)議是面向連接的，它提供可靠的傳輸服務(wù)，能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議中包括重傳機(jī)制、分片機(jī)制以及流量控制機(jī)制等。但UDP比TCP簡單的多，易于實(shí)現(xiàn)，占用資源也比較少。在網(wǎng)絡(luò)層，選擇IP協(xié)議和部分ICMP協(xié)議。IP協(xié)議用于數(shù)據(jù)傳輸，而ICMP協(xié)議用于測試，如ping命令就屬于ICMP協(xié)議。在鏈路層，需要有MAC控制器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的打包解包、校驗(yàn)和計(jì)算等。另外，還需要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議用于通知通信雙方各自的硬件地址信息。

2 方案選擇及實(shí)現(xiàn)
2．1 千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案研究
    千兆以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于千兆以太網(wǎng)的MAC控制器和以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)。目前市場上物理層芯片和MAC芯片都比較多，但大多數(shù)MAC芯片是PCI或PCIe接口，這種芯片主要用于計(jì)算機(jī)主板，而GMII接口的MAC芯片接口簡單，便于用戶使用。對于不同的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)千兆以太網(wǎng)的方法應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的處理器類型而定，目前主流的處理器有FPGA、DSP、SOC、PowerPC等，根據(jù)處理器類型，大致可分為以下3種：
    (1)使用FPGA作為主控制器，可以使用一片物理層協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)物理層，一片MAC芯片實(shí)現(xiàn)MAC層，而上層協(xié)議在FPGA內(nèi)部使用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)。也可以在FPGA內(nèi)部使用MAC核代替MAC芯片，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如Xilinx Virtex-5系列FPGA中就集成有10／100／11 000 Mb·s-1以太網(wǎng)MAC控制器硬核，而Altera提供Triple Speed EthemetMegaCore軟核控制器。
    (2)使用集成有MAC控制器的DSP芯片，外部使用物理層芯片來實(shí)現(xiàn)物理層。如TI公司的TMS320C647x系列DSP，它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，集成
度較高，運(yùn)算速度快?？梢酝耆褂肅語言編程，操作方便。
    (3)使用基于嵌入式操作系統(tǒng)的TCP／IP協(xié)議棧，如PowerPC芯片，它可以嵌入某些操作系統(tǒng)，如Linux系統(tǒng)，能夠方便的實(shí)現(xiàn)TCP／IP控制，外部使用一片物理層芯片即可。由于有TCP／IP協(xié)議棧的支持，省去了編寫協(xié)議的工作。
    在系統(tǒng)中，主控制芯片選擇Altera公司的StratixlI系列FPGA，StratixII系列FPGA片資源豐富，支持多種電平標(biāo)準(zhǔn)，并集成有M4K，M512等多種形式的存儲(chǔ)器資源，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖及存儲(chǔ)。MAC控制器使用該公司提供的MAC軟核來實(shí)現(xiàn)，該軟核支持多款物理層芯片，選擇NI公司的DP83865芯片，系統(tǒng)如圖2所示。

    此方案較其他方案有明顯的優(yōu)勢。(1)DP83865采用GMII接口，簡單易用，而且性價(jià)比很高，與Altera公司的MAC軟核一起使用上簡化了設(shè)計(jì)者的工作，能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。(2)MAC軟核在FPGA內(nèi)部占用的邏輯資源較少，所以并不會(huì)增加系統(tǒng)的額外開銷。
2．2 物理層芯片介紹
    DP83865支持10Base-T／100Base-Tx／1000Base-T以太網(wǎng)協(xié)議，它使用0．18 μm、1．8 V CMOS工藝，使用MII、GMII或RGMII的媒體獨(dú)立接口，簡化了與MAC控制器的連接，具有超低功耗、完全自適應(yīng)等特點(diǎn)，便于用戶實(shí)現(xiàn)10／100／1 000 Mb·s-1以太網(wǎng)。芯片內(nèi)部設(shè)有32個(gè)寄存器，可以通過MDIO接口訪問其內(nèi)部寄存器。Altera公司的MAC軟核內(nèi)部映射有兩個(gè)物理層芯片的寄存器組空間，其地址空間與DP83865內(nèi)部寄存器一一對應(yīng)，用戶可以通過訪問MAC軟核內(nèi)部寄存器以達(dá)到訪問DP83865的寄存器目的，MAC軟核將自動(dòng)通過MDIO接口訪問DP83865的寄存器。這樣，如果要重新設(shè)定DP83865內(nèi)部寄存器值，或者在調(diào)試過程中要通過讀取寄存器來判斷芯片的工作狀態(tài)，可以直接訪問其在MAC軟核內(nèi)部映射的寄存器空間，從而簡化設(shè)計(jì)。[!--empirenews.page--]
2．3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    千兆以太網(wǎng)由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層組成。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)MAC層以及MAC層以上的部分TCP／IP協(xié)議，其中包括ARP協(xié)議，IP協(xié)議，UDP協(xié)議以及部分ICMP協(xié)議。物理層使用DP83865芯片。FPGA內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    MAC控制器上層的協(xié)議在FPGA內(nèi)部用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)，這些協(xié)議將與MAC核共同組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，各部分協(xié)議之間密切配合，共同完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。協(xié)議系統(tǒng)的時(shí)鐘速率設(shè)定為125 MHz，可以最大程度地發(fā)揮MAC核的作用，使千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到最大。
    系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)問題在于協(xié)議的效率問題。在調(diào)試初期，先以百兆速度運(yùn)行，由于系統(tǒng)時(shí)鐘為25 MHz，相對較低，沒有出現(xiàn)程序因效率低下而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。當(dāng)在原有基礎(chǔ)上改為千兆以太網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定地情況，所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不能穩(wěn)定地發(fā)送至上位機(jī)，有丟失數(shù)據(jù)幀的情況。
    于是對協(xié)議部分進(jìn)行優(yōu)化，以提高其運(yùn)行效率。在編寫程序時(shí)，良好的代碼風(fēng)格尤為重要。時(shí)序電路中最重要的是狀態(tài)機(jī)，所以狀態(tài)機(jī)的性能在一定程度上決定了整個(gè)程序的性能。協(xié)議中狀態(tài)轉(zhuǎn)移比較復(fù)雜，對狀態(tài)進(jìn)行合并、減少狀態(tài)數(shù)量之后，程序效率明顯提高。此外，由于需要處理大批量的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)將流經(jīng)每一層協(xié)議，因而各層協(xié)議之間使用完全流水結(jié)構(gòu)，銜接緊密，實(shí)時(shí)性更高，而且不必為每一
層開辟緩沖區(qū)，節(jié)省了資源。
2．4 上位機(jī)控制
    使用Visual C++編寫上位機(jī)程序，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)向FPGA發(fā)送相關(guān)命令，F(xiàn)PGA接收到命令后進(jìn)行相應(yīng)操作，并將數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。上位機(jī)程序在MFC環(huán)境下使用WinSock編程實(shí)現(xiàn)，使用面向無連接的數(shù)據(jù)報(bào)套接字，即采用UDP協(xié)議，無需建立連接。為提高系統(tǒng)效率，在程序中使用多線程技術(shù)，一個(gè)線程負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，一個(gè)線程負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以有效提高程序運(yùn)行效率。
2．5 測試結(jié)果
    在系統(tǒng)中，將存儲(chǔ)在電路板上Flash中的數(shù)據(jù)通過千兆以太網(wǎng)傳輸至計(jì)算機(jī)，使用UDP協(xié)議，每次傳輸1 024 Byte。經(jīng)測試，此千兆以太網(wǎng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)吞吐率高。圖4所示是由SignalTap II采樣得到的由FPGA輸出的UDP波形，采樣時(shí)鐘為250 MHz。
    在圖4中，rx_clk為125 MHz時(shí)鐘，gm_tx_d是由MAC發(fā)送至物理層芯片的數(shù)據(jù)幀。由圖可見，MAC軟核每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送8 bit數(shù)據(jù)，則此千兆以太網(wǎng)帶寬為1 000 Mb·s-1。千兆以太網(wǎng)額外開銷小，大約占用FPGA資源的7％，為系統(tǒng)留下了充足的設(shè)計(jì)空間。對千兆以太網(wǎng)進(jìn)行測試時(shí)，每次發(fā)送數(shù)十萬數(shù)據(jù)幀至上位機(jī)，當(dāng)檢測到錯(cuò)誤幀或數(shù)據(jù)幀丟失時(shí)立即停止發(fā)送，在所進(jìn)行的一系列測試中，沒有出現(xiàn)中途停止發(fā)送的情況，說明沒有數(shù)據(jù)幀丟失或在傳輸中出錯(cuò)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

    數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)后由上位機(jī)程序接收并存儲(chǔ)，由于上位機(jī)程序效率偏低，千兆以太網(wǎng)傳輸速率受到限制。如果進(jìn)一步優(yōu)化上位機(jī)程序，可以提高千兆以太網(wǎng)帶寬利用率。若兩個(gè)電路系統(tǒng)使用千兆以太網(wǎng)互連，因?yàn)槎际羌冇布娐罚\(yùn)行效率較高，可以發(fā)揮千兆以太網(wǎng)高帶寬的特性。

3 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)中使用三速以太網(wǎng)軟核，并對源程序進(jìn)行了一系列優(yōu)化，代碼效率較高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，資源利用率較高，數(shù)據(jù)吞吐率最高可達(dá)1 000 Mb·s-1。千兆以太網(wǎng)成本低，可以在多種平臺(tái)下應(yīng)用，為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了方便的途徑。