基于千兆以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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TCP／IP協(xié)議是一個協(xié)議族，集成有數(shù)據(jù)傳輸、流量控制、校驗(yàn)、糾錯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?。而TCP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等多種形式的存儲器資源，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖及存儲。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。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/156459.htm
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)。
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