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

　　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。

　　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(duì)不同型號(hào)，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(chǔ)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(hào)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(shí)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(shí)不同包格式類型。當(dāng)高2位為11 B時(shí)，標(biāo)識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)為結(jié)束包，其它位為保留位。