摘 要 ：千兆網(wǎng)相比其它通信方式具有傳輸速度快、組網(wǎng)方式靈活等特點(diǎn)，因此在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互量的增大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)安全需求的提高。本文利用FPGA的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種嵌入式千兆網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)方案，可以很好的滿足復(fù)雜環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)安全的要求。

　　【關(guān)鍵詞】電子技術(shù)論文范文,FPGA,千兆網(wǎng),冗余功能

　　嵌入式系統(tǒng)以其架構(gòu)多樣、硬件成本低、小型化、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天、航空、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著時(shí)代的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互量也變得越來(lái)越大。因此對(duì)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口要求也變得越來(lái)越高。千兆以太網(wǎng)以其連接芯線數(shù)量少、傳輸速度高、組網(wǎng)方式靈活、可進(jìn)行多發(fā)多收等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　工程實(shí)際主要應(yīng)用于艦船復(fù)雜環(huán)境下接收無(wú)壓縮的高分辨率數(shù)字圖像，并通過(guò)板間總線傳輸給其它芯片處理。由于高分辨率數(shù)字圖像不能進(jìn)行壓縮，因此數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬占用在700Mb/s以上，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐能力要求較高。艦船在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)安全要求很高，實(shí)際設(shè)計(jì)上要求提供主備IP地址，且每路IP地址都要有兩路物理連接，且能自動(dòng)在毫秒級(jí)進(jìn)行切換。針對(duì)以上客觀實(shí)際要求，我們需要采取特殊的設(shè)計(jì)方案。

　　1 設(shè)計(jì)思路優(yōu)選

　　常見(jiàn)的嵌入式千兆網(wǎng)設(shè)計(jì)方案主要有以下幾種：1.主控芯片+NON-PCI芯片;2.TI公司自帶千兆網(wǎng)接口ARM芯片;3.TI公司基于NDK開(kāi)發(fā)庫(kù)的帶千兆網(wǎng)接口的DSP;4.自帶千兆網(wǎng)接口的Power pc芯片;5.基于FPGA的千兆網(wǎng)設(shè)計(jì)。

　　以上方案各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。方案一開(kāi)發(fā)最簡(jiǎn)便，開(kāi)發(fā)成本最低，但NON-PCI芯片受限于接口形式，無(wú)法滿足大帶寬需求，且NON-PCI芯片只有民用級(jí)芯片，無(wú)法滿足復(fù)雜自然環(huán)境下的應(yīng)用;方案二開(kāi)發(fā)難度中等，開(kāi)發(fā)成本中等，但TI已經(jīng)不再推出ARM芯片，后續(xù)產(chǎn)品的研制維護(hù)存在困難，切相對(duì)其它 ARM芯片廠商，價(jià)格偏貴;方案三由于NDK庫(kù)為基于底層硬件設(shè)計(jì)，因此開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較大，且芯片成本、開(kāi)發(fā)工具成本比較高;方案四軟件由于芯片支持操作系統(tǒng)，因此開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較容易，但芯片昂貴，且很少有自帶多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口冗余設(shè)計(jì)不方便;方案五由于FPGA自帶有Power pc內(nèi)核，因此軟件開(kāi)發(fā)難度與方案四大體相當(dāng)，且FPGA內(nèi)部自帶多個(gè)三態(tài)以太網(wǎng)硬核，因此比較適合進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。因此綜合以上分析，我們選擇FPGA作為實(shí)現(xiàn)嵌入式千兆網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)。

　　2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　如表1所示Xilinx公司的Virtex-6芯片含有豐富的資源，它集成了 Power PC處理器和多個(gè)Ethernet MACs，因此我們選用Xc6vlx75T作為該FPGA。物理層PHY芯片采用Marvell公司的88E1111，該芯片支持十百千兆以太網(wǎng)自適應(yīng)協(xié)議，并且可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)線路物理連接狀態(tài)。其連接框圖如圖1所示。

　　Xc6vlx75T內(nèi)部集成了多個(gè)硬件內(nèi)核包括MPMC和三態(tài)以太網(wǎng)硬核。 MPMC ( Multi-Port Memory Controller )是DDR2內(nèi)存控制器的IP核，該FPGA可以接6個(gè)數(shù)據(jù)端口，這樣的好處是多個(gè)設(shè)備都可以通過(guò)各自的端口共享內(nèi)存， port0和port1都通過(guò)plb總線連接在PowerPC上，分別用于傳輸指令和數(shù)據(jù)，port2端口采用的是NPI(Native Port Interface) 口，用于通過(guò)板間總線交換用戶數(shù)據(jù)，port3，4采用SDMA (Soft Direct Memory Access)接口，通過(guò)locallink總線和千兆網(wǎng)IP核相連。三態(tài)以太網(wǎng)內(nèi)核A通過(guò)選通器連接物理層PHY芯片C、D，三態(tài)以太網(wǎng)內(nèi)核B通過(guò)選通器連接物理層PHY芯片A、B。FPGA內(nèi)部各個(gè)模塊連接如圖2所示。

　　3 冗余切換方式

　　由于FPGA內(nèi)部包含了兩個(gè)三態(tài)以太網(wǎng)IP核，因此上電以后我們需要對(duì)這兩個(gè)IP核進(jìn)行配置，分別配置主備IP地址給這倆IP核，每個(gè)IP核又通過(guò)選通器連接兩個(gè)PHY芯片，從而達(dá)到雙IP 地址四路物理連接。我們物理層PHY芯片選用88E1111是因?yàn)樵撔酒�可以自�?dòng)檢測(cè)物理鏈路的連接狀態(tài)，并通過(guò)專門的引腳反饋出來(lái)，因此我們把該引腳接入FPGA，作為狀態(tài)查詢引腳和選通器的控制信號(hào)。四個(gè)物理層PHY芯片分為兩組，每組兩個(gè)連接在一個(gè)三態(tài)以太網(wǎng)IP核上，兩個(gè)PHY芯片的鏈路反饋狀態(tài)總計(jì)可以組合出四種狀態(tài)：兩鏈路聯(lián)通，控制選通器選擇第一路PHY;鏈路一聯(lián)通，鏈路二斷開(kāi)，控制選通器選擇第一路PHY;鏈路一斷開(kāi)，鏈路二聯(lián)通，控制選通器選擇第二路PHY;兩鏈路斷開(kāi)，發(fā)送中斷信號(hào)通知POWER PC使用另一三態(tài)以太網(wǎng)IP核。以此類推，工作過(guò)程中根據(jù)物理層PHY芯片的反饋狀態(tài)來(lái)采取相應(yīng)操作，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的快速冗余切換。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　以xilinx Virtex6 FPGA為核心的嵌入式千兆網(wǎng)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)千兆以太網(wǎng)通信，并預(yù)留了擴(kuò)展接口，將來(lái)可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，并且該設(shè)計(jì)方案使用芯片數(shù)量少、軟件開(kāi)發(fā)難度小、在苛刻的自然環(huán)境條件下可以工作。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在全速情況下可以接近900M/S的速率，通道切換時(shí)間小于1ms，完全滿足設(shè)計(jì)需要。

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