基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

1、-范文最新推薦- 基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 摘要隨著以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁吭絹?lái)越大。FPGA以其高傳輸速率和低設(shè)計(jì)成本，已被廣泛應(yīng)用于高速通信領(lǐng)域，并成為業(yè)界首選。此課題正是基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了FPGA與PC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。本課題按照TOP DOWN的設(shè)計(jì)方法，在確定系統(tǒng)架構(gòu)方案后，對(duì)各個(gè)模塊之間的接口信號(hào)及交互方式進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃，本課題主要實(shí)現(xiàn)的是利用FPGA中內(nèi)嵌的MAC控制FPGA與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)主要使用Xilinx推出的嵌入式處理設(shè)計(jì)平臺(tái)Studio工具（Xilinx Platform Stu

2、dio）完成，利用IP核進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后下載到Xilinx公司的Virtex-5 ML507 FPGA 開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的正確性。9999關(guān)鍵詞FPGA以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸IP核畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要TitleThe network port of FPGA-based data transmission andapplication developmentAbstractWith the development of Ethernet technology, the flow of data transmission and data exchange is i

3、ncreasing.FPGA, with its high transmission rate and low design costs, has been widely used in the field of high-speed communications, and become the industry preferred. This topic is about an application development of FPGA-based Ethernet port data transfer to achieve high-speed data transfer betwee

4、n FPGA and PC.This topic accordance with TOP DOWN design, in determining the system architecture program, the interface signals between the various modules and interact detailed planning, the main achievement of this topic is embedded in the FPGA MAC control the FPGA and PC between the data transmis

5、sion. Application developers to use Xilinx offers the Embedded Processing Platform Studio tools (Xilinx Platform Studio) to complete, the use of IP cores for data transmission, and finally downloaded to the Xilinx Virtex-5 ML507FPGA development board for testing, the test results show the correctnes

6、s of the data communication. 結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄A——幀發(fā)送程序39附錄B——幀接收程序421緒論隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度已經(jīng)由最初的10MHz發(fā)展到現(xiàn)在的1000MHz。用可編程邏輯器件(FPGA)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制器與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸成為了熱點(diǎn)。在本章中，將對(duì)基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯勘尘?、研究現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行闡述。在此之后，闡述了FPGA設(shè)計(jì)流程和開(kāi)發(fā)工具。1. 1課題研究背景近年來(lái)FPGA（File Programmable GateArray現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）在通信領(lǐng)域的

7、應(yīng)用越來(lái)越廣泛，F(xiàn)PGA運(yùn)算速度快，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，內(nèi)部程序并行運(yùn)行，但進(jìn)行高精度復(fù)雜運(yùn)算處理是FPGA的劣勢(shì)，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，可以將高精度復(fù)雜運(yùn)算處理由PC機(jī)完成后再交給FPGA完成其他工作。雷達(dá)、氣象、航天等領(lǐng)域不僅數(shù)據(jù)運(yùn)算率巨大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，而且需要實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程高速傳輸，從而需要長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定有效的信號(hào)加以支持，以便能夠獲得精準(zhǔn)的收發(fā)數(shù)據(jù)信息，更好地為工程項(xiàng)目服務(wù)。而以太網(wǎng)是一個(gè)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的固線連接標(biāo)準(zhǔn)。Xilinx Virtex-5以太網(wǎng)媒體接入控制器(以太網(wǎng)MAC)模塊提供了專用的以太網(wǎng)功能，它和 Virtex-5 RocketIO GTP收發(fā)器以及Select

8、IO技術(shù)相結(jié)合，能夠讓用戶與各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行連接。在Virtex-5器件中，以太網(wǎng)MAC模塊作為一個(gè)硬件塊集成在FPGA內(nèi)部。以太網(wǎng)技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容包括物理層和MAC子層。MAC子層控制器既可以集成于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，同時(shí)又是開(kāi)發(fā)網(wǎng)橋、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，延伸以太網(wǎng)傳輸范圍的基礎(chǔ)，在以太網(wǎng)接入中起到很關(guān)鍵的作用。另外，對(duì)于不同的以太網(wǎng)傳輸媒介，MAC子層不需要改動(dòng)或者只需很小的改動(dòng)。因此，開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)MAC控制器的IP核具有重要的意義。 所以在以太網(wǎng)芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛的時(shí)候，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究并自行開(kāi)發(fā)。1. 3FPGA設(shè)計(jì)流程與開(kāi)發(fā)環(huán)境1.3.1FPGA設(shè)計(jì)流程FPGA設(shè)計(jì)分

9、為設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、功能仿真、時(shí)序仿真、器件編程和下載測(cè)試七個(gè)步驟，設(shè)計(jì)流程如圖1.1所示。圖1.1 FPGA設(shè)計(jì)流程圖（一）設(shè)計(jì)準(zhǔn)備可編程邏輯設(shè)計(jì)是利用EDA開(kāi)發(fā)軟件和編程工具對(duì)器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程。高密度復(fù)雜可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)流程如圖1.1所示。（二）設(shè)計(jì)輸入1）原理圖原理圖輸入方式是最直接的設(shè)計(jì)描述方式，要設(shè)計(jì)什么，就從軟件系統(tǒng)提供的元件庫(kù)中調(diào)出來(lái)，畫(huà)出原理圖。其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)仿真，便于觀察信號(hào)和調(diào)整電路;缺點(diǎn)是效率低。2）器件描述語(yǔ)言硬件描述語(yǔ)言是用文本方式描述設(shè)計(jì)。其突出優(yōu)點(diǎn)有：語(yǔ)言與工藝的無(wú)關(guān)性，使設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證階段便于確立方案的可行性；語(yǔ)言的公開(kāi)可利用性

10、，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)；很強(qiáng)的邏輯描述和仿真功能，且輸入效率高；在不同的設(shè)計(jì)輸入庫(kù)之間轉(zhuǎn)換非常方便，無(wú)需熟悉底層電路和PLD結(jié)構(gòu)。3）波形圖波形輸入方式主要用于建立和編輯波形設(shè)計(jì)文件、輸入仿真向量和功能測(cè)試向量。波形設(shè)計(jì)輸入適用于時(shí)序邏輯和有重復(fù)性的邏輯函數(shù)。（三）設(shè)計(jì)處理設(shè)計(jì)處理是器件設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)處理過(guò)程中，編譯軟件對(duì)設(shè)計(jì)輸入文件進(jìn)行邏輯化簡(jiǎn)、綜合優(yōu)化和適配，產(chǎn)生編程用的編程文件。主要包括:語(yǔ)法檢查和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、邏輯優(yōu)化和綜合、映射、適配和分割、布局和布線、時(shí)序提取和配置等相關(guān)工作。（四）功能仿真功能仿真是使用仿真工具對(duì)完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。功能仿真也

11、稱為前仿真，僅對(duì)邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求，仿真過(guò)程未加入時(shí)序信息，不涉及具體器件的硬件特性。 1. 4論文研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排1.4.1論文研究工作本文主要完成的工作有：1、實(shí)現(xiàn)往FPGA內(nèi)嵌MAC里寫(xiě)數(shù)據(jù)，通過(guò)Xilinx推出的嵌入式處理設(shè)計(jì)平臺(tái)Studio工具（Xilinx Platform Studio）完成，可用LED燈驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否傳輸。2、將FPGA內(nèi)嵌MAC的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇HY(88E1111)芯片，之后經(jīng)由變壓器傳到RJ45，最終通過(guò)網(wǎng)口傳送至PC機(jī)。3、通過(guò)抓包軟件(Wireshark)，監(jiān)視PC機(jī)和FPGA之間的傳輸狀態(tài)和流動(dòng)情況。4、改進(jìn)整體設(shè)

12、計(jì)，盡量提高每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。1.4.2章節(jié)安排本文主要分為五個(gè)章節(jié)，各個(gè)章節(jié)安排如下：第一章闡述了基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的研究背景、研究現(xiàn)狀和研究目標(biāo)。然后介紹了FPGA的設(shè)計(jì)流程和開(kāi)發(fā)工具；第二章詳細(xì)描述了以太網(wǎng)控制器MAC的工作機(jī)制；第三章和第四章是本文的重點(diǎn)，分別完成了系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)；第五章則完成在硬件平臺(tái)上的測(cè)試。2以太網(wǎng)控制器MAC工作機(jī)制2. 1引言以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂(lè)）公司創(chuàng)建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100M

13、bit/s)和10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問(wèn)控制法，它們都符合IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。2. 2以太網(wǎng)工作原理2.2.1OSI（開(kāi)放系統(tǒng)互連）參考模型IEEE802.3在制訂時(shí)的一個(gè)基本思想是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯劃分，研究各層之間如何通信。早在1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standard Organization，ISO）就為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)制訂了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，它稱為開(kāi)放系統(tǒng)互連（Open Systems Interconnection，OSI）參考模型，在OSI參考模型中，為了便于網(wǎng)絡(luò)的組織和設(shè)計(jì)，采用分層結(jié)構(gòu)。圖2.1為IEEE80

14、2.3體系結(jié)構(gòu)模型。 4）第四層運(yùn)輸層（transport layer）：運(yùn)輸層傳送數(shù)據(jù)單位是報(bào)文（message）。它負(fù)責(zé)在兩個(gè)實(shí)體之間建立一條端到端的信道，并為通信兩端提供可靠和透明的傳輸。它還進(jìn)行端到端的差錯(cuò)控制、順序控制和流量控制等。運(yùn)輸層是通信的最高層。更高的三層已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)關(guān)，而是涉及到網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面。因此，運(yùn)輸層是網(wǎng)絡(luò)層和會(huì)話層之間的接口，它將上下兩層隔開(kāi)，使上一層看不到下一層中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?xì)節(jié)。5）第五層會(huì)話層（session layer）：會(huì)話層在兩個(gè)實(shí)體之間建立起進(jìn)行一次“會(huì)話”的邏輯連接關(guān)系，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)登錄和注銷、身份鑒別和運(yùn)作方式（單工、雙工和半

15、雙工）等，并對(duì)“對(duì)話”進(jìn)行管理和控制，但是不包括呼叫建立、設(shè)置和斷開(kāi)連接等功能。6）第六層表示層（presentation layer）：表示層將上一層提供的數(shù)據(jù)作必要的編碼或語(yǔ)法變換，以通信通用的格式送給網(wǎng)絡(luò)，使不同類型的設(shè)備能夠互相通信。其功能包括數(shù)據(jù)文件的格式化、編碼（ASCII碼、EBCDIC碼，等等）、加密和解密、對(duì)話過(guò)程、數(shù)據(jù)壓縮、同步、中斷和終結(jié)。表示層還完成編碼和字符集的轉(zhuǎn)換和決定報(bào)文顯示方式。7）第七層應(yīng)用層（application layer）：應(yīng)用層是OSI中的最高層，它確定進(jìn)程之間通信性質(zhì)以滿足用戶的需要，其功能決定于用戶需求和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)目的。應(yīng)用

16、層還提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換、遠(yuǎn)程操作、系統(tǒng)管理和應(yīng)用管理。應(yīng)用層直接和用戶的應(yīng)用程序通信。2.2.2以太網(wǎng)通信機(jī)制基于廣播的以太網(wǎng)中，所有工作站都能收到發(fā)送到網(wǎng)上的信息幀。每個(gè)工作站都要確認(rèn)該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認(rèn)是，就將該信息幀發(fā)送到高一層的協(xié)議層。 發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，工作站邊發(fā)送邊檢測(cè)總線，看是否發(fā)生沖突。若無(wú)沖突則繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)送完該數(shù)據(jù);若發(fā)生沖突，則停止發(fā)送，之后要發(fā)送32比特的JAM信號(hào)，這樣網(wǎng)絡(luò)所有站點(diǎn)都知道發(fā)生了沖突。然后，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，在總線空閑時(shí)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，這就是以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)規(guī)則的沖突檢測(cè)（CD）部分。2.2.3以太網(wǎng)MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE80

17、2.3中規(guī)定的幀由下列域組成：前導(dǎo)碼、起始幀分界符、目的地址、源地址、長(zhǎng)度/類型、數(shù)據(jù)單元、填充和幀校驗(yàn)序列，格式如下圖2.2所示。圖2.2 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)1）前導(dǎo)碼（Preamble）：七個(gè)字節(jié)的“1/0”交替碼，該字段保證網(wǎng)絡(luò)上的以太網(wǎng)接口能在重要的數(shù)據(jù)字段到來(lái)之前與輸入的數(shù)據(jù)流同步，即使接收方與發(fā)送方的時(shí)鐘同步?？紤]到信號(hào)在通過(guò)系統(tǒng)時(shí)可能產(chǎn)生的延時(shí)，前導(dǎo)碼允許丟失幾位，這樣就避免幀的其余部分受到影響。前導(dǎo)碼是保護(hù)幀中其余部分的盾牌。2）起始幀分界符（Start of Frame Delimiter）：一個(gè)字節(jié)的“10101011”，最后兩

18、位是特殊的“1101”模式，這兩位通知跟在后面的是幀的實(shí)際字段。3）目的地址（Destination Address）：是以最低位（LSB）在前方式發(fā)送的六個(gè)字節(jié)。接收方MAC用DA判定接下來(lái)的數(shù)據(jù)包是否是給該字節(jié)的。如果接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到自己的唯一節(jié)點(diǎn)地址與DA域中的地址相匹配，它將試圖接收該數(shù)據(jù)包。而其他未檢測(cè)到這種匹配的節(jié)點(diǎn)將忽略數(shù)據(jù)包的其他部分。有三種類型的地址被支持：?jiǎn)尾サ刂罚ㄎ锢恚?、組播地址和廣播地址。4）源地址（Source Address）：是以最低位（LSB）在前方式發(fā)送的六個(gè)字節(jié)。SA域由發(fā)送方的MAC提供。發(fā)送方MAC在發(fā)送時(shí)將其自身的唯一地址填充到該

19、域中，用以表明它是起始站點(diǎn)。接收方MAC不需要基于SA域做出動(dòng)作。 2. 3數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程大體上分為全雙工和半雙工兩種模式。這兩種模式發(fā)送過(guò)程不同。在半雙工模式下，以太網(wǎng)MAC傳送一幀要經(jīng)過(guò)以下步驟：1）傳送前先偵聽(tīng)信道是否忙，如果偵聽(tīng)到信道中存在載波，此時(shí)不能發(fā)送數(shù)據(jù)。須等到載波消失時(shí)才發(fā)送，否則繼續(xù)等待。載波偵聽(tīng)過(guò)程如圖2.3所示。圖2.3 載波偵聽(tīng)框圖2）如果此時(shí)介質(zhì)空閑，站點(diǎn)在等待一段幀間隔時(shí)間（IPG）后開(kāi)始發(fā)送。幀間隔時(shí)間設(shè)為傳送96比特所需的時(shí)間，即：10Mbps時(shí)，IPG為9.6us；100Mbps時(shí)，IPG為0.96us。如果介質(zhì)忙碌，則要繼續(xù)偵聽(tīng)，一旦信道空閑，站點(diǎn)就可