基于嵌入式Linux和FPGA的千兆網(wǎng)數據傳輸的實(shí)現

引言

中國散裂中子源實(shí)驗的簡(jiǎn)圖如圖1所示，其原理是把中子束打在被測樣品(例如新藥品或機翼材料)上，探測被反射的中子位置就能計算出樣品的內部結構圖像，其特點(diǎn)如下： A/D采集通道多，每個(gè)通道的數據帶寬高，且需要把現場(chǎng)采集的數據傳到遠程服務(wù)器上。因此，要求數據傳輸模塊既要成本低、微型化、具備網(wǎng)絡(luò )功能，也要數據帶寬高。

圖1 中國散裂中子源實(shí)驗簡(jiǎn)圖

單片機或ARM具有微型化、低成本的特點(diǎn)，但數據帶寬和靈活性不滿(mǎn)足本項目;工控計算機數據處理能力強，有網(wǎng)絡(luò )接口，但是體積過(guò)大，成本高;傳統高能物理實(shí)驗采用的VME系統也因體積大、數據帶寬有限而不適合用在中國散裂中子源實(shí)驗上。

FPGA有很高的性能，而且內部還集成PowerPC處理器、千兆網(wǎng)MAC等硬核資源，這使得在一塊FPGA上就能構建一個(gè)完整的片上系統，使整個(gè)系統體積可以做的很小。在FPGA片內PowerPC硬核上移植嵌入式linux操作系統，用軟件來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議可以解決用FPGA硬件描述語(yǔ)言實(shí)現TCP/IP協(xié)議難度大的問(wèn)題。FPGA的高性能、高可靠性和Linux的靈活性完美結合在一個(gè)片內，能較好地滿(mǎn)足本項目的需求。

1 系統的總體構成及層次

本系統可以分為5個(gè)層次，如圖2所示，

最低層為外圍電路硬件層，每一層都是建立在其下一層之上。

2 系統外圍電路的簡(jiǎn)介

本文在硬件上采用了實(shí)驗室自行設計的電路板，用的是帶PowerPC的xilinx Virtex4 FPGA，電路如圖3所示。

圖3 系統的硬件模塊框圖

3 SOPC的構建

SOPC (System on a Programmable Chip) 即可編程片上系統，把整個(gè)系統放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

3.1 開(kāi)發(fā)工具

Xilinx 公司提供了FPGA開(kāi)發(fā)工具EDK(Embedded Development Kit),它帶有大量可配置可定制的IP核，可以大大提高設計的效率，使設計者把主要精力放在設計系統架構上，能很方便的對FPGA進(jìn)行模塊化的重構和裁剪，提高設計的靈活性，減少了外圍器件，符合SOPC的思想。

3.2 SOPC的總體構成

SOPC系統構建完成后的框圖如圖4所示，其中PowerPC405是已經(jīng)固化在FPGA內部的硬核，工作頻率設為300MHz，配置時(shí)要選擇cache選項，否則運行嵌入式Linux會(huì )很慢。PowerPC405通過(guò)PLB(Process Local Bus)總線(xiàn)核和各個(gè)IP模塊互聯(lián)構建了一個(gè)完整的SOPC系統。

圖4 FPGA內部各個(gè)IP模塊框圖