基于SoPC的千兆以太網(wǎng)接口卡的設(shè)計和實現(xiàn)

 摘要：研究并設(shè)計了一種基于SoPC的千兆以太網(wǎng)接口卡，重點對千兆以太網(wǎng)接口卡的組成、工作流程、EMAC、時鐘管理、用戶邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行了描述，并基于Xilinx平臺驗證了千兆以太網(wǎng)接口卡的有效性。本文的研究為基于SoPC實現(xiàn)自主化的千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品具有一定的工程參考價值。

關(guān)鍵詞：千兆以太網(wǎng);SOPC;接口卡

0 引言

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，千兆以太網(wǎng)以其傳輸速度快、距離遠、接口普及、成本低、易于集成等特點，受到業(yè)內(nèi)青睞，廣泛應(yīng)用在通信、金融、商業(yè)、教育和政府機關(guān)等領(lǐng)域。

SoPC即可編程片上系統(tǒng)，以FPGA為載體構(gòu)造面向應(yīng)用的完整系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、難度和成本低的優(yōu)點。Xilinx公司推出基于FPGA器件開發(fā)SoPC的開發(fā)環(huán)境EDK，并在新一代器件中集成硬核EMAC，使得FPGA能夠和千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接。

本文研究并設(shè)計了一種基于SoPC的千兆以太網(wǎng)接口卡，重點對其組成、工作流程、EMAC、時鐘管理、用戶邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行了描述，并開發(fā)測試用例進行測試驗證。

1 千兆以太網(wǎng)接口卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用Xilinx公司的Virtex-5 FX70T作為核心器件，基于嵌入式處理器PPC440實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)接口卡高速通信功能。在設(shè)計實現(xiàn)中，所設(shè)計的接口卡包括PPC440、DMA控制器、MPMC、EMC、UART、定時器、EMAC、中斷控制器和GTX等內(nèi)容，如圖1所示。

其中，PPC440是整個SoPC的核心，它控制所有部件，運行控制程序。Xilinx提供PPC440的硬核，支持32位流水線，支持32位運算，單核最高主頻550MHz，處理能力1000DMIPS。在本設(shè)計中，PPC440工作主頻為400MHz，內(nèi)部PLB總線頻率為100MHz。

DMA控制器能夠在CPU配置之后長時間地獨立引導(dǎo)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在EMAC和MPMC之間高速交換。Xilinx提供獨立的IP核CDMAC，CDMAC的結(jié)構(gòu)包含4個DMA引擎，128bytes存儲器觸發(fā)能力，分散的地址數(shù)據(jù)Buffer。CDMAC針對MPMC提供了2個獨立的數(shù)據(jù)操作端口，針對EMAC提供了為其硬件總線構(gòu)造的4個收發(fā)端口，在CDMAC內(nèi)部有數(shù)據(jù)通道、控制通道，各包含2個DMA引擎，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的長度產(chǎn)生DMA的不同長度讀寫觸發(fā)工作模式，最大效率地提高操作效率。

DDR2用來解決FPGA內(nèi)部RAM不足的問題，本系統(tǒng)采用MPMC作為DDR2的控制器。MPMC提供了1～8個端口來存取內(nèi)存，每個端口都能選擇一系列連接個性接口模塊(PIMs)，包含PPC440MC、PLB、NPI、XCL和VFBC等接口。本系統(tǒng)將MPMC配置為兩端口模式。一個端口是PPC440MC，用于和

PPC440的接口;另一個端口為NPI接口，數(shù)據(jù)寬度為64位，用于要發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入DDR2作為緩存。

FLASH用來固化和貯存可執(zhí)行的軟件程序，通過EMC接口連接在PLB總線上。UART用來完成PC機和SoPC系統(tǒng)之間的通信，定時器用來為實時操作系統(tǒng)提供周期節(jié)拍。

中斷控制器接收FPGA內(nèi)部各種中斷，包括定時器中斷、串口中斷等，并上報給PPC440，等待PPC440進行處理。

EMAC采用Xilinx提供的硬核實現(xiàn)，用戶邏輯完成對EMAC的訪問和控制。EMAC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過GTX進行串并/并串轉(zhuǎn)換后，通過外部光纖進行通信。

2 千兆以太網(wǎng)接口卡設(shè)計

千兆以太網(wǎng)接口卡基于SoPC設(shè)計，采用Xilinx提供的PPC440、MPMC、EMC、EMAC等軟硬核，結(jié)合自主開發(fā)的用戶邏輯，共同完成干兆以太網(wǎng)接口卡的通信功能。

2.1 工作原理

千兆以太網(wǎng)接口卡發(fā)送過程如下：

(1)當(dāng)需要發(fā)送時，通過外部高速接口將傳輸數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部RAM中，暫時存入DDR2中;

(2)當(dāng)DDR2中數(shù)據(jù)達到一定的數(shù)量后，向PPC440發(fā)送中斷信號;

(3)當(dāng)PPC440收到中斷申請后，通過DMA通道將數(shù)據(jù)從千兆以太網(wǎng)送出。

千兆以太網(wǎng)接口卡接收過程如下：

(1)當(dāng)千兆以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷;

(2)當(dāng)PPC440收到中斷申請后，通過DMA通道將數(shù)據(jù)寫入DDR2中;

(3)外部高速接口通過內(nèi)部RAM，將DDR2中的數(shù)據(jù)讀出。

2.2 EMAC

千兆以太網(wǎng)MAC采用Xilinx公司提供的三速嵌入式以太網(wǎng)MAC核(EMAC)實現(xiàn)。該IP核集成了10/100/1000Mb/s以太網(wǎng)MAC核，符合802.3—2002規(guī)范，支持全雙工的10/100/10013Mb/s，半雙工的10/100Mb/s。支持多種可配置的物理層接口，包括MII、GMII、RGMII、SGMII和1000BASE—XPCS/PMA接口。EMAC中包含主機接口、客戶端、時鐘管理、MII/GMII/RGMII接口等，如圖2所示。

在設(shè)計中，根據(jù)系統(tǒng)需求對EMAC進行配置。配置接口為主機配置模式，并以8位數(shù)據(jù)進行訪問，配置速率為固定千兆模式，配置物理接口為SGMII模式，通過GTX進行串并/并串轉(zhuǎn)換。

2.3 時鐘管理

整個系統(tǒng)需要提供2個外部時鐘：40MHz單端時鐘和125MHz差分時鐘。

40MHz時鐘通過倍頻產(chǎn)生100MHz、200MHz和400MHz時鐘。100MHz時鐘為PLB總線提供時鐘，200MHz時鐘為DDR2提供時鐘，400MHz時鐘為

PPC440內(nèi)頻時鐘。

125MHz差分時鐘用于提供GTX、EMAC和內(nèi)部邏輯時鐘。125MHz高質(zhì)量的差分時鐘經(jīng)過IBUFDS后直接連接GTX的CLKIN端，然后GTX返回一個125MHz時鐘REFCLKOUT，經(jīng)過內(nèi)部DCM產(chǎn)生125MHz和162.5MHz時鐘，分別提供給GTX并行端時鐘、EMAC時鐘和內(nèi)部邏輯，如圖3所示。

2.4 用戶邏輯設(shè)計

用戶邏輯中完成三個功能：EMAC配置接口設(shè)計、客戶端發(fā)送單元設(shè)計和客戶端接收單元設(shè)計。

EMAC配置接口實現(xiàn)PPC440和EMAC之間的訪問控制。EMAC通過Xilinx提供的IPIF接口掛接在PLB總線上。

發(fā)送單元負責(zé)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照一定時序發(fā)送到MAC核，再通過GTX輸出到數(shù)據(jù)鏈路中。客戶端發(fā)送時序如圖4所示。

客戶端發(fā)送過程如下：

(1)當(dāng)客戶端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將第一個字節(jié)送到數(shù)據(jù)線(TXD)，同時將數(shù)據(jù)有效信號(TXDVLD)置高;

(2)當(dāng)EMAC收到第一個字節(jié)后，返回一個應(yīng)答信號(TXACK);

(3)客戶端收到應(yīng)答信號后，將剩余數(shù)據(jù)按照字節(jié)發(fā)送，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成之前，TXDLVD信號一直為高。

接收單元負責(zé)根據(jù)客戶端接收時序接收來自于MAC的數(shù)據(jù)。客戶端接收時序如圖5所示。

客戶端接收過程如下：

(1)當(dāng)EMAC有數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端時，接收數(shù)據(jù)信號(RXD)和數(shù)據(jù)有效信號(RXDVLD)同時有效;

(2)接收單元根據(jù)RXD和RXDVLD接收來自EMAC的數(shù)據(jù);

(3)當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后，如果接收數(shù)據(jù)正確信號(RXGOODFRAME)有效，表示該幀數(shù)據(jù)正確，則將數(shù)據(jù)提交。如果數(shù)據(jù)錯誤信號(RXBADFRA ME)有效，表示該幀數(shù)據(jù)錯誤，則將數(shù)據(jù)丟棄。

2.5 軟件設(shè)計

在設(shè)計中，軟件負責(zé)完成系統(tǒng)的運行、設(shè)備的控制、系統(tǒng)各部分功能實現(xiàn)、以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)等功能。使用Xilinx提供的EDK下集成的工具SDK，使用C語言進行編程。

EDK提供第三方支持庫TRECK，它使用一種簡化的TCP/IP協(xié)議，并向用戶提供上層的API函數(shù)，實現(xiàn)了一種高效的、便于與SOPC實現(xiàn)的TCP /IP協(xié)議。

3 仿真與驗證

本論文采用Xilinx Virtex-5 FPGA芯片對千兆以太網(wǎng)接口板進行設(shè)計和實現(xiàn)，并采用Modelsim6.5d進行仿真驗證，采用ISE12.1進行綜合、布局布線、生成bit文件。

將生成的bit文件下載到自主設(shè)計的板卡中，并開發(fā)測試用例進行測試、驗證。實際測試結(jié)果表明：基于SoPC的千兆以太網(wǎng)接口板系統(tǒng)功能正確，傳輸速率達到了線速。

4 結(jié)束語

本文研究并設(shè)計了一種基于SoPC的千兆以太網(wǎng)接口卡，重點對其組成、工作流程、EMAC、時鐘管理、用戶邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行了描述，并開發(fā)測試用例進行測試驗證。經(jīng)嚴格測試驗證表明，該千兆以太網(wǎng)接口板功能完全符合系統(tǒng)要求。

本文的研究對基于SoPC實現(xiàn)自主化的千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品具有一定的工程參考價值。