基于千兆以太網(wǎng)的高速數據傳輸系統設計
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TCP／IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議族，集成有數據傳輸、流量控制、校驗、糾錯以及管理等多種功能。要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現數據傳輸，沒(méi)有必要實(shí)現完整的TCP／IP協(xié)議，而且在有限的硬件資源上實(shí)現整個(gè)協(xié)議族也是不切實(shí)際的。圖1為T(mén)CP／IP協(xié)議族的分層結構，實(shí)現數據傳輸需要在每一層實(shí)現一種協(xié)議。應用層主要實(shí)現用戶(hù)控制，接收數據以及為發(fā)送數據做相應準備等。在運輸層，選擇UDP協(xié)議。UDP協(xié)議是面向無(wú)連接的，它提供不可靠的傳輸服務(wù)，不保證一定能將數據傳輸到目的地。而TCP協(xié)議是面向連接的，它提供可靠的傳輸服務(wù)，能保證正確的數據傳輸，協(xié)議中包括重傳機制、分片機制以及流量控制機制等。但UDP比TCP簡(jiǎn)單的多，易于實(shí)現，占用資源也比較少。在網(wǎng)絡(luò )層，選擇IP協(xié)議和部分ICMP協(xié)議。IP協(xié)議用于數據傳輸，而ICMP協(xié)議用于測試，如ping命令就屬于ICMP協(xié)議。在鏈路層，需要有MAC控制器實(shí)現以太網(wǎng)數據幀的打包解包、校驗和計算等。另外，還需要實(shí)現ARP協(xié)議。ARP協(xié)議用于通知通信雙方各自的硬件地址信息。
2 方案選擇及實(shí)現
2．1 千兆以太網(wǎng)的設計方案研究
千兆以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于千兆以太網(wǎng)的MAC控制器和以太網(wǎng)接口的實(shí)現。目前市場(chǎng)上物理層芯片和MAC芯片都比較多，但大多數MAC芯片是PCI或PCIe接口，這種芯片主要用于計算機主板，而GMII接口的MAC芯片接口簡(jiǎn)單，便于用戶(hù)使用。對于不同的系統，設計千兆以太網(wǎng)的方法應根據系統的處理器類(lèi)型而定，目前主流的處理器有FPGA、DSP、SOC、PowerPC等，根據處理器類(lèi)型，大致可分為以下3種：
(1)使用FPGA作為主控制器，可以使用一片物理層協(xié)議芯片實(shí)現物理層，一片MAC芯片實(shí)現MAC層，而上層協(xié)議在FPGA內部使用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現。也可以在FPGA內部使用MAC核代替MAC芯片，從而簡(jiǎn)化系統設計。如Xilinx Virtex-5系列FPGA中就集成有10／100／11 000 Mb·s-1以太網(wǎng)MAC控制器硬核，而Altera提供Triple Speed EthemetMegaCore軟核控制器。
(2)使用集成有MAC控制器的DSP芯片，外部使用物理層芯片來(lái)實(shí)現物理層。如TI公司的TMS320C647x系列DSP，它采用哈佛總線(xiàn)結構，集成
度較高，運算速度快?？梢酝耆褂肅語(yǔ)言編程，操作方便。
(3)使用基于嵌入式操作系統的TCP／IP協(xié)議棧，如PowerPC芯片，它可以嵌入某些操作系統，如Linux系統，能夠方便的實(shí)現TCP／IP控制，外部使用一片物理層芯片即可。由于有TCP／IP協(xié)議棧的支持，省去了編寫(xiě)協(xié)議的工作。
在系統中，主控制芯片選擇Altera公司的StratixlI系列FPGA，StratixII系列FPGA片資源豐富，支持多種電平標準，并集成有M4K，M512等多種形式的存儲器資源，可以實(shí)現數據的緩沖及存儲。MAC控制器使用該公司提供的MAC軟核來(lái)實(shí)現，該軟核支持多款物理層芯片，選擇NI公司的DP83865芯片，系統如圖2所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/156459.htm
此方案較其他方案有明顯的優(yōu)勢。(1)DP83865采用GMII接口，簡(jiǎn)單易用，而且性?xún)r(jià)比很高，與Altera公司的MAC軟核一起使用上簡(jiǎn)化了設計者的工作，能有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。(2)MAC軟核在FPGA內部占用的邏輯資源較少，所以并不會(huì )增加系統的額外開(kāi)銷(xiāo)。
2．2 物理層芯片介紹
DP83865支持10Base-T／100Base-Tx／1000Base-T以太網(wǎng)協(xié)議，它使用0．18 μm、1．8 V CMOS工藝，使用MII、GMII或RGMII的媒體獨立接口，簡(jiǎn)化了與MAC控制器的連接，具有超低功耗、完全自適應等特點(diǎn)，便于用戶(hù)實(shí)現10／100／1 000 Mb·s-1以太網(wǎng)。芯片內部設有32個(gè)寄存器，可以通過(guò)MDIO接口訪(fǎng)問(wèn)其內部寄存器。Altera公司的MAC軟核內部映射有兩個(gè)物理層芯片的寄存器組空間，其地址空間與DP83865內部寄存器一一對應，用戶(hù)可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)MAC軟核內部寄存器以達到訪(fǎng)問(wèn)DP83865的寄存器目的，MAC軟核將自動(dòng)通過(guò)MDIO接口訪(fǎng)問(wèn)DP83865的寄存器。這樣，如果要重新設定DP83865內部寄存器值，或者在調試過(guò)程中要通過(guò)讀取寄存器來(lái)判斷芯片的工作狀態(tài)，可以直接訪(fǎng)問(wèn)其在MAC軟核內部映射的寄存器空間，從而簡(jiǎn)化設計。
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