迄今最強(qiáng)大的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換處理器設(shè)計(jì)案例分享

　　項(xiàng)目背景及可行性分析

　　項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

　　項(xiàng)目名稱：實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換處理器

　　項(xiàng)目內(nèi)容：基于Xilinx高端FPGA構(gòu)建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換處理器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集、交換、存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)處理，填補(bǔ)國內(nèi)在實(shí)時(shí)測控設(shè)備方面的空白。

　　目前的進(jìn)展情況：系統(tǒng)框架構(gòu)建階段部分子系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

　　項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述

　　關(guān)鍵技術(shù)：實(shí)時(shí)測控技術(shù)一直是航空、航天、核工業(yè)、汽車工業(yè)領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)，目前國內(nèi)在實(shí)時(shí)測控領(lǐng)域采用的設(shè)備一直依賴于國外進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，現(xiàn)有的1000M以太網(wǎng)因網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲抖動(dòng)不確定，不具備實(shí)時(shí)性，不能應(yīng)用于該領(lǐng)域。本項(xiàng)目以由高端FPGA構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)交換處理器為中心，集高速數(shù)據(jù)采集、交換、處理、存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示為一體，提供完整的實(shí)時(shí)測控平臺(tái)，能夠完全替代國外昂貴的高速采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備。

　　創(chuàng)新點(diǎn)：隨著工業(yè)設(shè)備的日益復(fù)雜，設(shè)備的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，地理分布越加分散，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集、實(shí)時(shí)傳輸是測控系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，ADI等國外企業(yè)推出高性能仿真機(jī)，現(xiàn)有高端仿真機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)128路高到65MSPS的高速并行采集;為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸與交換，GE等公司推出廣播內(nèi)存等實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備。國外眾多高速采集、實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備存在的缺點(diǎn)主要包括：1)成本高，采用現(xiàn)有國外設(shè)備構(gòu)建一套高速采集、實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，其成本一般在100萬左右;2)接口不統(tǒng)一，現(xiàn)有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，采集系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)之間需要通過PC完成數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，極大降低了設(shè)備的性能。本項(xiàng)目提出以實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換處理器為中心，集數(shù)據(jù)的高速采集、實(shí)時(shí)傳輸為一體的測控平臺(tái)，該平臺(tái)以現(xiàn)有FPGA設(shè)備為基礎(chǔ)，以同軸電纜或者光纖為通信介質(zhì)，完成數(shù)據(jù)的高速采集與實(shí)時(shí)傳輸。該平臺(tái)整體成本低于現(xiàn)有平臺(tái)的10%，能夠以邏輯星形結(jié)構(gòu)、邏輯環(huán)形結(jié)構(gòu)等多種拓?fù)浞绞綄?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，系統(tǒng)在靈活性與可靠性方面高于現(xiàn)有設(shè)備組成的系統(tǒng)。

　　技術(shù)成熟性和可靠性論述：

　　1.在數(shù)據(jù)采集方面，目前ADC的采樣速率能夠達(dá)到2GSPS，ADI、TI等公司等推出眾多65MSPS~200MSPS的AD轉(zhuǎn)換器，在ADC的接口邏輯設(shè)計(jì)以及PCB布線設(shè)計(jì)都有豐富的設(shè)計(jì)手冊(cè);本小組成員在高速ADC接口邏輯設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)比較豐富，能夠完成數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)、測試。

　　2.在數(shù)據(jù)傳輸方面，在具有16位寬度的收發(fā)器中，實(shí)現(xiàn)1.0Gbps的傳輸速率，假設(shè)采用8B10B編碼方式，則FPGA需要具有在125M的工作頻率，現(xiàn)有的FPGA工作頻率遠(yuǎn)高于此頻率;系統(tǒng)采用同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)10米內(nèi)的低誤碼率傳輸;采用GBIC與單模光纖，能夠?qū)崿F(xiàn)20Km以上的傳輸距離;項(xiàng)目小組成員曾參與國內(nèi)知名企業(yè)核心路由器的研究，在高速邏輯設(shè)計(jì)與布線設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)豐富。

　　項(xiàng)目實(shí)施方案

　　1.方案基本功能框圖及描述

　　圖1 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換處理器功能模塊框圖

　　系統(tǒng)以RealSwitch交換模塊為核心，包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)消費(fèi)子系統(tǒng)、系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成。RealSwitch交換模塊由virtexⅡpro構(gòu)造，最多可支持64個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與64個(gè)數(shù)據(jù)消費(fèi)子系統(tǒng)，交換模塊基板支持8個(gè)設(shè)備，擴(kuò)展接口以堆疊方式擴(kuò)展基板;數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由多個(gè)65MSPS～125MSPS數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，由SpartanII FPGA完成數(shù)據(jù)壓縮與傳輸協(xié)議控制，由TI的1.25Gbps收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的并-串轉(zhuǎn)換，高速串行數(shù)據(jù)通過GBIC-光纖或者雙絞線傳輸;數(shù)據(jù)消費(fèi)系統(tǒng)完成高速數(shù)據(jù)的串-并轉(zhuǎn)換以及協(xié)議控制，采用Xilinx SpartanII FPGA實(shí)現(xiàn)，部分仿真客戶端需要模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)消費(fèi)系統(tǒng)完成相應(yīng)的數(shù)-模轉(zhuǎn)換;系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng)完成交換系統(tǒng)的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)源設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)交換方式配置等，系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)Ethnet通信與網(wǎng)絡(luò)交換模塊通信;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)由4個(gè)SATA接口硬盤構(gòu)成RAID系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的可靠高速存儲(chǔ)，由Xilinx FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　2.需要的開發(fā)平臺(tái)

　　實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口：

　　DDR-RAM或者高速SDRAM，F(xiàn)lash存儲(chǔ);

　　PowerPC處理器核，標(biāo)準(zhǔn)Ethnet接口，在網(wǎng)絡(luò)交換模塊中實(shí)現(xiàn)與外部主機(jī)的通信，完成系統(tǒng)總體控制;

　　網(wǎng)絡(luò)交換模塊要求FPGA主頻至少125MHz;

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)支持4個(gè)SATA接口高速硬盤;

　　(3) 所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺(tái)，簡述為什么需要此平臺(tái)

　　網(wǎng)絡(luò)交換模塊宜采用Virtex II Pro開發(fā)平臺(tái)，原因如下：項(xiàng)目中網(wǎng)絡(luò)交換模塊具有邏輯功能要求復(fù)雜、系統(tǒng)處理速度要求高等特點(diǎn)，而Virtex-II Pro XC2VP30含有3萬個(gè)Logic cells，因此能夠勝任本設(shè)計(jì);板上FPGA內(nèi)含有PowerPC硬核以及Ethnet接口，方便系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

　　需要的開發(fā)工具包括Xilinx ISE、ModelSim等。

　　2.方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊

　　如圖1本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊如下：

　　RealSwitch網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng);

　　高速數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng);

　　仿真客戶端接口子系統(tǒng);

　　系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng);

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng);

　　系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

　　系統(tǒng)吞吐量:1.25G;

　　系統(tǒng)ADC速率: 65MSPS～125MSPS;

　　系統(tǒng)傳輸延遲抖動(dòng)：<1us;

　　交換接口數(shù)：128

　　需要的其它資源

　　1.設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板

　　目前已經(jīng)完成了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及仿真客戶端子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)的采集與傳輸;

　　需要近一步完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換處理器系統(tǒng)以及系統(tǒng)總體控制子系統(tǒng)模塊。

　　2.測試設(shè)備

　　目前開發(fā)小組借助西安交通大學(xué)電信學(xué)院網(wǎng)絡(luò)所的資源優(yōu)勢(shì)，擁有泰科500M數(shù)字存儲(chǔ)示波器2臺(tái)、邏輯分析儀1臺(tái)，以及其他直流穩(wěn)壓電源、萬用表等設(shè)備。