1、引言

傳統(tǒng)的測控網(wǎng)是將具有各種功能的儀器通過諸如VXI、CAN等專用總線連接起來構(gòu)成一套完整的測控系統(tǒng)。現(xiàn)在看來，傳統(tǒng)的測控網(wǎng)主要具有四個(gè)方面的不足：一、數(shù)據(jù)傳輸速率有限；二、傳輸距離有限；三、設(shè)備數(shù)量有限；四、成本高昂。傳統(tǒng)的測控網(wǎng)已經(jīng)很難滿足人們對大數(shù)據(jù)量，遠(yuǎn)距離和低成本的要求。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展和普及，通過將儀器接入Internet，儀器將測量的數(shù)據(jù)封裝成IP包的形式進(jìn)行傳輸，不僅能夠解決傳統(tǒng)測控網(wǎng)的不足，而且可以共享網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展帶來的便利，跨越地域的限制，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的共享。本文主要討論多路千兆以太網(wǎng)信號中IP數(shù)據(jù)收發(fā)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了MAC接收控制器的設(shè)計(jì)，為儀器接入網(wǎng)絡(luò)，組建高速的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的測試數(shù)據(jù)傳輸手段。

2、系統(tǒng)功能及介紹

系統(tǒng)框圖如圖1所示：

本系統(tǒng)主要采用Altera公司的StratixII系列FPGA芯片EP2S30為主處理芯片，通過Vitesse公司的PHY芯片VSC8224及相關(guān)的外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)了8路千兆以太網(wǎng)電信號中IP數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。VSC8224主要實(shí)現(xiàn)物理層上的比特流和鏈路層上的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。IP數(shù)據(jù)接收和輸出部分由EP2S30通過VHDL程序來實(shí)現(xiàn)。EP2S30在整個(gè)系統(tǒng)中起著核心作用，它將2片VSC8224送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，將MAC幀中的IP數(shù)據(jù)提取出來，保存在緩沖存儲器中，最后將8路數(shù)據(jù)依次從IP通道輸出給另外的設(shè)備，同時(shí)EP2S30也接收其它設(shè)備送來的IP數(shù)據(jù)，然后封裝成MAC幀通過VSC8224發(fā)送到以太網(wǎng)上。EP2S30也控制LED陣列來指示當(dāng)前各個(gè)網(wǎng)口的連接狀態(tài)及系統(tǒng)工作狀態(tài)。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

EP2S30是Altera公司推出的StratixII系列FPGA中的一款，它具有非常豐富的I/O資源，支持多種電平標(biāo)準(zhǔn)，它內(nèi)部資源豐富，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用，特別是它內(nèi)部集成了M512/M4K/MRAM三種片上RAM，而且數(shù)量眾多，可以將它們配置成單口/雙口/FIFO等多種存儲器，特別適合大數(shù)據(jù)量的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

VSC8224是Vitesse公司推出的具有4個(gè)口的低功耗、支持10/100/1000BASE-T和1000BASE-X的高性能以太網(wǎng)PHY芯片。VSC8224支持最新的RGMII V2.0標(biāo)準(zhǔn)，這為PCB板設(shè)計(jì)提供了極大的便利，無須考慮非常嚴(yán)格的延時(shí)要求。圖1中2片VSC8224與FPGA之間的連接就是采用的RGMII接口的方式。VSC8224有3種配置方式可供選擇，這里使用EEPROM（AT24C16）對它進(jìn)行配置，先將配置內(nèi)容通過編程器固化到EEPROM中，VSC8224在上電或者復(fù)位之后自動(dòng)從EEPROM中讀取出配置數(shù)據(jù)來自己進(jìn)行配置。FPGA通過2線的SMI串行管理接口對VSC8224內(nèi)部的狀態(tài)寄存器進(jìn)行訪問，讀出VSC8224的工作狀態(tài)，以確定進(jìn)一步的操作。FPGA通過VSC8244的2線的串行LED狀態(tài)輸出口來讀出4個(gè)端口的狀態(tài)，然后通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，這為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，可以控制發(fā)光二極管顯示多種狀態(tài)。

4、 MAC控制器的VHDL實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用VHDL實(shí)現(xiàn)MAC控制器和IP數(shù)據(jù)的接收與輸出。MAC幀的格式如圖2所示：

從MAC幀格式，可以看出，在接收的過程中只要我們找到了先導(dǎo)碼和分界符后就可以根據(jù)MAC幀格式得到整個(gè)MAC幀，進(jìn)而根據(jù)長度/類型來判斷此MAC幀的內(nèi)容，從而獲得MAC幀中的IP數(shù)據(jù)。發(fā)送IP數(shù)據(jù)的過程是接收IP數(shù)據(jù)的逆過程，只要按照MAC幀的格式將IP數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)MAC幀中，再通過PHY芯片依次發(fā)送出去就能實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)的傳輸。

FPGA主要實(shí)現(xiàn)MAC幀的收發(fā)、MAC幀的組裝和分解、IP數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，利用VHDL模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，只要實(shí)現(xiàn)1路的功能，另外7路就能很容易實(shí)現(xiàn)了。本文主要介紹MAC接收控制器的設(shè)計(jì)，這里利用VHDL設(shè)計(jì)如圖3所示的MAC接收控制器。

如圖3所示，根據(jù)RGMII接口規(guī)范，RXCLK為VSC8224從接收數(shù)據(jù)中提取的125MHz接收時(shí)鐘，RXD［3:0］和RXCTL在RXCLK的上下沿都有效，RxSt為RXCTL在RXCLK上下沿的與，RXD數(shù)據(jù)相當(dāng)于一個(gè)4bit×125MHz的DDR信號，為了便于后期處理，將數(shù)據(jù)組合成一個(gè)8bit×125MHz的信號。這一部分由圖3中的數(shù)據(jù)組合模塊組成。

為了實(shí)現(xiàn)MAC巨幀的處理，充分利用FPGA資源，實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)的同步輸出，為每一路千兆以太網(wǎng)都生成了一個(gè)16K字節(jié)的雙口RAM作為緩沖器，雙口RAM的輸入是8比特，輸出為16比特的數(shù)據(jù)，同時(shí)輸入時(shí)鐘是各路提取的125MHz的時(shí)鐘，輸出為同源時(shí)鐘產(chǎn)生的160MHz時(shí)鐘，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)了異步信號的同步輸出。

IP數(shù)據(jù)的提取和存儲由接收控制器來實(shí)現(xiàn)，IP數(shù)據(jù)的輸出由輸出控制器來實(shí)現(xiàn)。下面就分別介紹這兩種控制器。

4.1 接收控制器

接收控制器主要是由一個(gè)寫地址控制器和一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組成。

寫地址控制器主要控制3個(gè)信號，一個(gè)是14bit的寫地址寄存器WrAddr，一個(gè)是14bit的寫起始地址寄存器Haddr和一個(gè)寫使能WrEnable信號。在每次寫一幀數(shù)據(jù)之前都將寫起始地址寄存器的值賦給寫地址寄存器。在每幀數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)正確之后，修改Haddr的值為當(dāng)前WrAddr的值加1，如果CRC校驗(yàn)有誤則不修改Haddr的值，則下一幀從原來的地址開始，覆蓋上一幀接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。由于雙口RAM的輸入是8bit，輸出為16bit，而且IP數(shù)據(jù)總長度可能為奇數(shù)也可能為偶數(shù)，為了便于后面的數(shù)據(jù)輸出，Haddr的值始終應(yīng)該為偶數(shù)，當(dāng)CRC校驗(yàn)無誤后，如果IP數(shù)據(jù)包的長度為奇數(shù)，應(yīng)將Haddr自動(dòng)加上1變?yōu)榕紨?shù)，作為下一次寫地址的起始地址。WrAddr在達(dá)到0x3FFF之后自動(dòng)回到0x0000繼續(xù)遞增。

根據(jù)MAC幀格式，接收狀態(tài)機(jī)分別設(shè)置了9個(gè)狀態(tài)：idle， preamble， sfd， destaddr， souaddr， typ_len， payload， padding， fcs。當(dāng)RxSt為0時(shí)，接收狀態(tài)機(jī)始終處于idle狀態(tài)。當(dāng)RxSt為1時(shí)，接收狀態(tài)機(jī)開始監(jiān)視RxData上的數(shù)據(jù)，如果為0x55，則由idle態(tài)進(jìn)入preamble態(tài)，如果滿足7個(gè)連續(xù)的0x55，則進(jìn)入sfd狀態(tài)，否則返回idle狀態(tài)。在sfd狀態(tài)下，如果此時(shí)RxData上的數(shù)據(jù)為0xD5，則進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，否則返回到idle狀態(tài)。在destaddr和souaddr狀態(tài)下，接收控制器可以獲得目的MAC地址和源MAC地址。在typ_len狀態(tài)下，接收控制器可以獲得該MAC幀的類型或長度，由于該系統(tǒng)主要是處理IP數(shù)據(jù)，所以只關(guān)心類型為0x0800的IP數(shù)據(jù)和類型為0x0806的Arp請求幀。如果接收的類型不是0x0800或0x0806則放棄這次接收，返回到idle狀態(tài)。如果為Arp請求幀，在接收完后幀校驗(yàn)無誤則使能ArpEnable信號，使能Arp應(yīng)答模塊發(fā)送Arp應(yīng)答幀。如果為IP數(shù)據(jù)包幀，在payload狀態(tài)下，如果destaddr狀態(tài)獲得的目的MAC地址與自身的MAC地址一致則繼續(xù)進(jìn)行接收，否則放棄這次接收。在數(shù)據(jù)接收完之后，如果總長度大于46字節(jié)，則進(jìn)入fcs狀態(tài)，以獲得幀校驗(yàn)結(jié)果；如果長度小于46字節(jié)，則還要進(jìn)入padding狀態(tài)，之后才能進(jìn)入fcs狀態(tài)。在fcs狀態(tài)之后，將獲得的幀校驗(yàn)結(jié)果和CRC32模塊計(jì)算獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，以保證傳輸?shù)恼_性。

4.2 輸出控制器

與接收控制器一樣，輸出控制器也是由一個(gè)讀地址控制器和一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組成。

讀地址控制器有一個(gè)13bit的讀地址信號RdAddr，這個(gè)讀地址信號與寫控制器輸出的寫起始地址信號Haddr的高13bit進(jìn)行比較，如果相等則表明當(dāng)前雙口RAM中無新的IP數(shù)據(jù)，如果不相等則表明RAM中至少有一幀新的數(shù)據(jù)。此時(shí)輸出一個(gè)DatAvailable信號給頂層模塊，頂層模塊根據(jù)各路情況，輸出一個(gè)RdEnable信號給下層模塊，下層模塊將RdAddr信號遞增以讀出RAM中的數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到0x1FFF時(shí)自動(dòng)回到0x0000進(jìn)行遞增。

由于保存在RAM中的數(shù)據(jù)包括MAC幀的目的地址、源地址、類型/長度和數(shù)據(jù)部分，所以輸出狀態(tài)機(jī)設(shè)置了5個(gè)狀態(tài)：Ridle，Rdestaddr，Rsouaddr，Rtyp_len，Rdat。在RdEnable信號無效時(shí)，狀態(tài)機(jī)始終處于Ridle狀態(tài)，當(dāng)RdEnable信號有效時(shí)，由Ridle狀態(tài)依次進(jìn)入Rdestaddr、Rsouaddr和Rtyp_len狀態(tài)。IPvalid用于指示IP數(shù)據(jù)有效，IPhead指示IP包的第一個(gè)字節(jié)，IPtail指示IP包的最后一個(gè)字節(jié)，HalfB用于指示在IP數(shù)據(jù)包為奇數(shù)時(shí)，IP包輸出的最后一個(gè)16bit數(shù)據(jù)的高8bit為有效的IP數(shù)據(jù)。IPCLK為160MHz的時(shí)鐘，是由外部輸入的50MHz時(shí)鐘經(jīng)過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)得到。

4.3 頂層模塊設(shè)計(jì)

頂層模塊主要是協(xié)調(diào)與控制8路模塊的工作。頂層模塊依次對每一路進(jìn)行輪詢，由于下層模塊的RAM中一旦有新的IP數(shù)據(jù)就會(huì)輸出一個(gè)DatAvailable信號，從第一路到第8路依次查詢各路的DatAvailable信號，如果有效則輸出一個(gè)RdEnable信號給該模塊，讀出一幀IP數(shù)據(jù)包。當(dāng)一幀IP數(shù)據(jù)包輸出后繼續(xù)進(jìn)行下一路的查詢，而不管這一路是否還有新的IP數(shù)據(jù)沒有讀出，如果還有數(shù)據(jù)沒有讀出，在下次輪詢的時(shí)候再讀出，這樣將減小因?yàn)槟骋宦芬恢闭加肐P數(shù)據(jù)輸出通道而其他路無法輸出IP數(shù)據(jù)而發(fā)生雙口RAM溢出的可能。

5 、結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的千兆以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過在現(xiàn)場的調(diào)試，運(yùn)行良好，狀況穩(wěn)定，誤碼率低，而且支持IP數(shù)據(jù)包長達(dá)8K字節(jié)的巨幀，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率，達(dá)到了高速測控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ撓到y(tǒng)的研制為儀器接入網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)來收發(fā)測試數(shù)據(jù)成為可能，為網(wǎng)絡(luò)化儀器和網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的發(fā)展提供了經(jīng)濟(jì)可行的高速數(shù)據(jù)傳輸手段。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用FPGA片上RAM為每一路千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器及一個(gè)MAC接收控制器，解決了多路IP數(shù)據(jù)收發(fā)和異步數(shù)據(jù)同步輸出的問題。

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