基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用程序開發(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)牧髁吭絹碓酱?。FPGA以其高傳輸速率和低設(shè)計成本，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)用程序開發(fā)，實現(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)計方法，在確定系統(tǒng)架構(gòu)方案后，對各個模塊之間的接口信號及交互方式進行了詳細規(guī)劃，本課題主要實現(xiàn)的是利用FPGA中內(nèi)嵌的MAC控制FPGA與PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用程序開發(fā)主要使用Xilinx推出的嵌入式處理設(shè)計平臺Studio工具（Xilinx Platform Stu

2、dio）完成，利用IP核進行數(shù)據(jù)傳輸，最后下載到Xilinx公司的Virtex-5 ML507 FPGA 開發(fā)板上進行測試，測試結(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)計說明書（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)實現(xiàn)以太網(wǎng)控制器與PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸成為了熱點。在本章中，將對基于FPGA的網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯勘尘啊⒀芯楷F(xiàn)狀及實現(xiàn)目標(biāo)進行闡述。在此之后，闡述了FPGA設(shè)計流程和開發(fā)工具。1. 1課題研究背景近年來FPGA（File Programmable GateArray現(xiàn)場可編程門陣列）在通信領(lǐng)域的

7、應(yīng)用越來越廣泛，F(xiàn)PGA運算速度快，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，內(nèi)部程序并行運行，但進行高精度復(fù)雜運算處理是FPGA的劣勢，同時由于計算機具有強大的運算和處理能力，可以將高精度復(fù)雜運算處理由PC機完成后再交給FPGA完成其他工作。雷達、氣象、航天等領(lǐng)域不僅數(shù)據(jù)運算率巨大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，而且需要實時遠程高速傳輸，從而需要長時穩(wěn)定有效的信號加以支持，以便能夠獲得精準(zhǔn)的收發(fā)數(shù)據(jù)信息，更好地為工程項目服務(wù)。而以太網(wǎng)是一個占據(jù)絕對優(yōu)勢的固線連接標(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)備進行連接。在Virtex-5器件中，以太網(wǎng)MAC模塊作為一個硬件塊集成在FPGA內(nèi)部。以太網(wǎng)技術(shù)主要研究內(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)備中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，同時又是開發(fā)網(wǎng)橋、交換機等網(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，對于不同的以太網(wǎng)傳輸媒介，MAC子層不需要改動或者只需很小的改動。因此，開發(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)用越來越廣泛的時候，有必要對其進行深入研究并自行開發(fā)。1. 3FPGA設(shè)計流程與開發(fā)環(huán)境1.3.1FPGA設(shè)計流程FPGA設(shè)計分

9、為設(shè)計準(zhǔn)備、設(shè)計輸入、設(shè)計處理、功能仿真、時序仿真、器件編程和下載測試七個步驟，設(shè)計流程如圖1.1所示。圖1.1 FPGA設(shè)計流程圖（一）設(shè)計準(zhǔn)備可編程邏輯設(shè)計是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對器件進行開發(fā)的過程。高密度復(fù)雜可編程邏輯器件的設(shè)計流程如圖1.1所示。（二）設(shè)計輸入1）原理圖原理圖輸入方式是最直接的設(shè)計描述方式，要設(shè)計什么，就從軟件系統(tǒng)提供的元件庫中調(diào)出來，畫出原理圖。其優(yōu)點是容易實現(xiàn)仿真，便于觀察信號和調(diào)整電路;缺點是效率低。2）器件描述語言硬件描述語言是用文本方式描述設(shè)計。其突出優(yōu)點有：語言與工藝的無關(guān)性，使設(shè)計人員在系統(tǒng)設(shè)計、邏輯驗證階段便于確立方案的可行性；語言的公開可利用性

10、，便于實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計；很強的邏輯描述和仿真功能，且輸入效率高；在不同的設(shè)計輸入庫之間轉(zhuǎn)換非常方便，無需熟悉底層電路和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)計文件、輸入仿真向量和功能測試向量。波形設(shè)計輸入適用于時序邏輯和有重復(fù)性的邏輯函數(shù)。（三）設(shè)計處理設(shè)計處理是器件設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。設(shè)計處理過程中，編譯軟件對設(shè)計輸入文件進行邏輯化簡、綜合優(yōu)化和適配，產(chǎn)生編程用的編程文件。主要包括:語法檢查和設(shè)計規(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完成的設(shè)計進行測試，模擬實際物理環(huán)境下的工作情況。功能仿真也

11、稱為前仿真，僅對邏輯功能進行測試模擬，了解其實現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計的要求，仿真過程未加入時序信息，不涉及具體器件的硬件特性。 1. 4論文研究內(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、實現(xiàn)往FPGA內(nèi)嵌MAC里寫數(shù)據(jù)，通過Xilinx推出的嵌入式處理設(shè)計平臺Studio工具（Xilinx Platform Studio）完成，可用LED燈驗證數(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，最終通過網(wǎng)口傳送至PC機。3、通過抓包軟件(Wireshark)，監(jiān)視PC機和FPGA之間的傳輸狀態(tài)和流動情況。4、改進整體設(shè)

12、計，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章節(jié)，各個章節(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)計流程和開發(fā)工具；第二章詳細描述了以太網(wǎng)控制器MAC的工作機制；第三章和第四章是本文的重點，分別完成了系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計和軟件程序設(shè)計；第五章則完成在硬件平臺上的測試。2以太網(wǎng)控制器MAC工作機制2. 1引言以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(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（開放系統(tǒng)互連）參考模型IEEE802.3在制訂時的一個基本思想是對系統(tǒng)進行邏輯劃分，研究各層之間如何通信。早在1983年國際標(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)制訂了一個通用的標(biāo)準(zhǔn)，它稱為開放系統(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，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）第四層運輸層（transport layer）：運輸層傳送數(shù)據(jù)單位是報文（message）。它負責(zé)在兩個實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。它還進行端到端的差錯控制、順序控制和流量控制等。運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)無關(guān)，而是涉及到網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面。因此，運輸層是網(wǎng)絡(luò)層和會話層之間的接口，它將上下兩層隔開，使上一層看不到下一層中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募毠?jié)。5）第五層會話層（session layer）：會話層在兩個實體之間建立起進行一次“會話”的邏輯連接關(guān)系，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)登錄和注銷、身份鑒別和運作方式（單工、雙工和半

15、雙工）等，并對“對話”進行管理和控制，但是不包括呼叫建立、設(shè)置和斷開連接等功能。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、對話過程、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)用進程所需要的信息交換、遠程操作、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。每個工作站都要確認該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認是，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)過程中，工作站邊發(fā)送邊檢測總線，看是否發(fā)生沖突。若無沖突則繼續(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，這樣網(wǎng)絡(luò)所有站點都知道發(fā)生了沖突。然后，等待一個隨機時間，在總線空閑時重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，這就是以太網(wǎng)介質(zhì)訪問規(guī)則的沖突檢測（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、長度/類型、數(shù)據(jù)單元、填充和幀校驗序列，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)送方的時鐘同步?？紤]到信號在通過系統(tǒng)時可能產(chǎn)生的延時，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)碼是保護幀中其余部分的盾牌。2）起始幀分界符（Start of Frame Delimiter）：一個字節(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)送的六個字節(jié)。接收方MAC用DA判定接下來的數(shù)據(jù)包是否是給該字節(jié)的。如果接收節(jié)點檢測到自己的唯一節(jié)點地址與DA域中的地址相匹配，它將試圖接收該數(shù)據(jù)包。而其他未檢測到這種匹配的節(jié)點將忽略數(shù)據(jù)包的其他部分。有三種類型的地址被支持：單播地址（物理）、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)送的六個字節(jié)。SA域由發(fā)送方的MAC提供。發(fā)送方MAC在發(fā)送時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。接收方MAC不需要基于SA域做出動作。 2. 3數(shù)據(jù)發(fā)送過程以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)過程大體上分為全雙工和半雙工兩種模式。這兩種模式發(fā)送過程不同。在半雙工模式下，以太網(wǎng)MAC傳送一幀要經(jīng)過以下步驟：1）傳送前先偵聽信道是否忙，如果偵聽到信道中存在載波，此時不能發(fā)送數(shù)據(jù)。須等到載波消失時才發(fā)送，否則繼續(xù)等待。載波偵聽過程如圖2.3所示。圖2.3 載波偵聽框圖2）如果此時介質(zhì)空閑，站點在等待一段幀間隔時間（IPG）后開始發(fā)送。幀間隔時間設(shè)為傳送96比特所需的時間，即：10Mbps時，IPG為9.6us；100Mbps時，IPG為0.96us。如果介質(zhì)忙碌，則要繼續(xù)偵聽，一旦信道空閑，站點就可