基于MPSoC的以太網(wǎng)接口設計與實(shí)現

　　研究了以太網(wǎng)在多核系統中的數據通訊，設計了以太網(wǎng)IP核到MPSoC網(wǎng)絡(luò )資源的硬件接口。闡述了設計中各模塊的實(shí)現功能和設計方法，通過(guò)仿真和FPGA驗證結果表明，以太網(wǎng)接口數據通訊具有實(shí)時(shí)和高吞吐率。實(shí)現了多核系統與網(wǎng)絡(luò )數據的信息傳遞，硬件設計結構簡(jiǎn)單、性能穩定可靠。

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )通信在日常生活中應用越來(lái)越廣泛，以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷了10 Mbit·s-1到10 Gbit·s-1的發(fā)展歷程。當前電子設備網(wǎng)絡(luò )化、多媒體技術(shù)、數字圖像處理技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，片上多核系統(Multi-processor system-on-chip，MPSoC)在復雜數字系統中成為主要的硬件結構方案。這類(lèi)系統通常用以太網(wǎng)完成數據通信，以太網(wǎng)接口設計與實(shí)現是一個(gè)關(guān)鍵部分。

　　數字系統規模不斷增大，隨著(zhù)市場(chǎng)激烈競爭，系統開(kāi)發(fā)周期要求也變得苛刻，目前，片上多核系統基于IP核的設計成為了主流趨勢。系統性能的提高，片上集成的處理器數量也不斷增多，基于網(wǎng)絡(luò )結構的片上多核系統相比總線(xiàn)結構的設計優(yōu)勢越來(lái)越顯著(zhù)。Xilinx公司和Ahera公司開(kāi)發(fā)的FPGA芯片針對不同型號，都提供了許多不同類(lèi)型和不同功能的IP核。然而，復雜數字系統，采樣FPGA實(shí)現，在開(kāi)發(fā)難度和成本上占有明顯優(yōu)勢。

　　1 MPSoC系統架構

　　MPSo采用NoC(Network-on-Chip，NoC)通訊結構，處理器和IP核通過(guò)資源接口與網(wǎng)絡(luò )通訊。系統結構如圖1所示，處理器與IP核采用總線(xiàn)通訊方式形成簇結構，簇、以太網(wǎng)模塊和DDR模塊通過(guò)資源接口與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊。圖中運算簇集成了兩個(gè)處理器，完成數據運算，轉置簇集成一個(gè)ARM控制器承擔數據的行與列交換，DDR模塊為片外存儲芯片的控制器，以太網(wǎng)承擔著(zhù)系統的數據通訊模塊，主要實(shí)現系統的數據傳輸。

　　2 以太網(wǎng)接口設計

　　以太網(wǎng)模塊設計主要完成以太網(wǎng)控制器IP核用戶(hù)端接口協(xié)議與多核系統網(wǎng)路通訊協(xié)議的轉換。以太網(wǎng)接口硬件結構設計如圖2所示，以太網(wǎng)控制器IP核為Xilinx公司ISE軟件例化生成的千兆網(wǎng)控制器。接收模塊完成系統網(wǎng)絡(luò )數據輸出到以太網(wǎng)控制器IP核用戶(hù)端數據輸入的協(xié)議轉換，發(fā)送模塊承擔以太網(wǎng)控制器用戶(hù)端數據輸出到網(wǎng)路數據輸入的協(xié)議匹配。網(wǎng)絡(luò )接口模塊為多核系統通訊資源接口。

　　2.1 幀格式定義

　　圖3所示為兩種協(xié)議的數據格式定義。以太網(wǎng)IP核用戶(hù)接口數據以幀格式定義數據的輸出或輸入，數據寬度為8位，幀數據長(cháng)度范圍為64～1 518 Byte，在具體硬件設計中一般選擇固定數據長(cháng)度傳輸，使硬件結構設計簡(jiǎn)單。具體格式如圖3(a)所示，先輸入的數據為目的網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò )地址，數據長(cháng)度為6Byte。其次是6 Byte的源片網(wǎng)絡(luò )地址。接著(zhù)為幀傳輸定義的類(lèi)型或數據傳輸長(cháng)度，長(cháng)度占2 Byte，數據長(cháng)度通常在數據幀比較短情況指定。如0010，表示后面傳輸的16個(gè)數據是有效的，傳輸多余長(cháng)度的數據，以太網(wǎng)控制器IP核默認為無(wú)效數據。而采用類(lèi)型定義來(lái)傳輸幀，在數據傳輸長(cháng)度范圍內，結束控制信號以前的數據都表示為有效數據。文中選用512的固定數據傳輸長(cháng)度和8 000標識的幀類(lèi)型完成硬件設計。

　　網(wǎng)路接口數據包格式如圖3(b)所示，數據深度定義為變長(cháng)，數據寬度為34位，為多核系統實(shí)時(shí)高效的數據傳輸提供良好的協(xié)調作用。第一個(gè)數據為系統網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的路由包，其后一個(gè)數據為配置信息，稱(chēng)為配置包。接著(zhù)為不定長(cháng)度有效數據包。有效數據包發(fā)送結束后，緊接著(zhù)發(fā)送一個(gè)數據結束包。

　　網(wǎng)路數據包中不同包類(lèi)型的格式定義，具體描述如圖4所示，數據高2位標識不同包格式類(lèi)型。當高2位為11 B時(shí)，標識為路由包，其中第28～17位表示傳輸的數據長(cháng)度，第16位到第9位定義數據源傳播的網(wǎng)絡(luò )坐標地址，低8位定義為數據通訊的目的網(wǎng)絡(luò )地址，剩下數據位定義為保留位。當高2位為10B時(shí)，標識為配置包，其他位根據通信需求，設置不同配置信息。當高2位為00B時(shí)，標識為數據包，剩余位為傳輸的有效數據信息。當高2位為01B時(shí)，標識為結束包，其它位為保留位。