第３７卷第４期 电子器件 Ｖ０１．３７ Ｎｏ．４ ２０１４年８月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ａｕｇ．２０１４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ Ｑｕ Ｘｉｎ， ，ＬＩ Ｈｕａｄｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｔｉａｎｃｅ，ＤＡＩ Ｌｅｉ，ＸＩＡ Ｔａｏ （Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ￣ｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ—ｃｈｉｐ ＦＰＧＡ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｗｅ ｕｓｅ ＭＡＣ＋ＰＨＹ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｆｒａｍｅ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， Ｖｉｔｒｅｘ－４ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＩＰ ｃｏｒｅ ｔｏ ａｃｔ ａｓ ＭＡＣ，ＭＡＲＶＥＬＬ ８８Ｅ１ １ １ １ ｃｈｉｐ ａｓ ＰＨＹ．Ｔｗｏ—ｃｈｉｐ ｃｏｎｎｅｃｔ ｗｉｔｈ ＧＭＩＩ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ １ ０００ Ｍｂｉｔ／ｓ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＦＰＧＡ；ＩＰ ｃｏｒｅ；ＧＭＩＩ；ＭＡＣ＋ＰＨＹ ＥＥＡＣＣ：６２１０Ｃ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１４．０４．０１８ 基于ＦＰＧＡ的千兆以太网数据传输的设计与实现术 瞿 鑫，吴云峰 ，李华栋，郑天策，戴 磊，夏 涛 （电子科技大学能源科学与工程学院，成都６１１７３１） 摘 要：为了解决大数据量长距离传输的稳定性和传输速率的问题，采用复杂可编程芯片ＦＰＧＡ设计出千兆以太网传输系统。 为了简化设计，采用ＭＡＣ＋ＰＨＹ方法实现以太网帧的封装及传输，ＭＡＣ采用Ｖｉａｅｘ一４的嵌入式以太网ＩＰ核实现，ＰＨＹ采用 ＭＡＲＶＥＬＬ公司的８８Ｅ１ｌ１１芯片实现，两芯片接１２１采用ＧＭＩＩ连接模式。实验仿真结果表明，该传输系统能支持１ ０００ Ｍｂｉｔ／ｓ传 输速率，该设计方案是可行的，有一定的实用价值。 关键词：干兆以太网；ＦＰＧＡ；ＩＰ核；ＧＭＩＩ；ＭＡＣ＋ＰＨＹ 中图分类号：ＴＮ９１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１Ｏ０５—９４９Ｏ（２０１４）０４－０６６２－０３ 随着网络技术的发展，网络化是不可避免发展 ＩＰ核进行连线和地址映射，ＳＤＫ用ｃ语言可以编写 的大趋势。本设计为了解决图像采集数据传输系统 软件对ＩＰ核进行配置。采用ＥＤＫ开发方法灵活，并 中大数据量传输的要求，分析设计了千兆以太网传 且可以外挂三方工具（如Ｘｉｌｋｅｒｎｅｌ和Ｌｗｉｐ等 ）， 输系统，与传统的百兆以太网相比，它的传输容量更 但是操作比较复杂，ＣＰＵ受外界环境特别是温度的影 大，对及时图像采集系统来说，以常见的１ ０２４× 响比较大，并且需对嵌入式系统开发有较深入的了 １ ０２４大小的１６ ｂｉｔ图像为例，当相机帧为５０ Ｉｆ！贞／Ｓ 解。本设计采用Ｘｉｌｉｎｘ的ＩＰ核 ，用纯硬件方式设 时，计算所得的实时传输帧为８００ Ｍｂｉｌｆｓ…。普通 计网络传输，系统简单，移植方便。 图像传输就达到了千兆级的传输速率，这对数字相 机的图像数据传输提出了较高的要求。因此解决大 １ 系统总体结构及基本原理 数据量的图像传输有着至关重要的意义＿２ Ｊ。 根据计算机网路基本模型，为了实现最基本的 现在主流的一般的以太网传输设计方法，一是采 数据传输，需要实现数据链路层和物理层。物理层 用专用网络芯片，芯片集成了ＭＡＣ和ＰＨＹ的功能 采用ＰＨＹ芯片８８Ｅ１１１１，数据链路层实现数据封装 （比如ＤＭ９０００Ａ ，ＡＸ８８１８０ ），这种方法设计简单 成帧，用ＦＰＧＡ的ＩＰ核实现。系统框架如图１所 可靠，缺点是传输协议支持有限，而且传输速率受限 示，测试数据按照ＥｔｈｅｒｎｅｔⅡ型帧格式编写，ＭＡＣ 于该芯片。另一种是采用ＦＰＧＡ设计方法，ＦＰＧＡ的 每次发送８ ｂｉｔ数据而网络传输是按照一帧一帧地 ＥＤＫ集成开发环境采用ＰＰＣ或者ＭｉｃｒｏＢ｜ａｚｅ处理器 传输，所以需要在发送端加ＦＩＦＯ，进行缓存，每一帧 可以方便用户开发出自己理想的系统 Ｊ，ＥＤＫ选用 加入目的地址和源地址以及标志位，当一帧数据发 项目来源：中国工程物理研究院流体物理研究所“分幅相机图像传输系统” 收稿日期：２０１３—０８—１１ 修改日期：２０１３—０８—２８ 第４期 瞿 鑫，吴云峰等：基于ＦＰＧＡ的千兆以太网数据传输的设计与实现 ｄｏｗｎｔｏ ０）； ……６６３ 送完进行下一帧数据发送，根据帧序列网络判断网 络类型和长度等信息。帧的封装在ＭＡＣ的ＩＰ核中 完成，到ＦＩＦＯ存储端时目的地址和源地址互相对 调。帧的发送时在ＦＰＧＡ内部完成。发送接收端口 外部接物理芯片８８Ｅ１１１１，然后连接网络变压器和 ＲＪ４５接口，经ＣＡＴ一５类线连接到ＰＣ机。 ）ｅｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； ＿＿—ｓｉｇｎａｌ ｔｉｅｅｍａｃ０ｃｏｎｆｉｇｖｅｃｔｏｒｉ：ｓｔｄｌｏｇｉｃｖｅｃｔｏｒ（７９ ｄｏｗｎｔｏ ０）； ｔｉｅｅｍａｃ０ｃｏｎｆｉｇｖｅｃｔｏｒｉ＜＝ １ ＆ｐｈｙｃｏｎｆｉｇ——ｖｅｃｔｏｒ一０ｉ＆ｈａｓ一— ａｄｉｏ０ｉ＆ｓｐｅｅｄ ０ｉ＆……；ｒ＿一一其中，ｐｈｙ—ｃｏｎｆｉｇ＿ｖｅｃｔｏｒ ０一ｉ指ＰＣＳ／ＰＭＡ没用到，赋 值“１０００”；ｈａｓ—ｍｄｉｏ一０一ｉ指是不是使用外部ＭＤＩＯ 与ＰＨＹ相连，本设计需要对ＰＨＹ进行读写操作，赋 值‘１’；ｓｐｅｅｄ ０＿ｉ指网络速度，按约定“００”是１０Ｍ， 外围 地址 设备 “０１”是１００Ｍ，“１０”是１０００Ｍ，“１１”不可用，这里赋 值“１０”选用１０００Ｍ。 对换ｌ＝模块 －＇－－・－－－・－－－－・－－－－・－・－・－… （ＲＪ４５， ＰＣ机 等） －－・－ ………－． １： 一一…存储模块 一一…一一一一．一一一一ＭＡＣＩＰ核 ：８８Ｅ１１ｌ１芯片 ．一一一一一一一 ＦＰＧＡ芯片 图１ 系统组成框图 ＲＸ（ＰＥＣＬ ２ 系统结构分析及其设计 ２．１传输模式的配置 ＭＡＣ ＲＸ（控制） ＭＡＣ信号） ＴＸ ＴＸ（控制） ＭＡＲＶＥＬＬ ＭＡＣＭＡＣ＿ＲＸ［７：０］（数据） ＴＸ［７：０］（数据） ＭＤＩＯ ＭＤＣ 网络传输模式种类很多，ＩＯＭ／ＩＯＯＭ就有ＭＩＩ 模式，１０００Ｍ的有ＧＭＩＩ、ＳＧＭＩＩ、ＲＧＭＩＩ以及ＢＡＳＥ— Ｔ等等，选用模式需要对ＰＨＹ芯片的引脚进行配 ８８Ｅ１１ｌ１ ＭＤ１００－３ 差分信号 Ｈ５００７和ＲＪ４５ 置，在ＦＰＧＡ中配置寄存器中赋值。其基本的赋值 器 盆 一 语句如下： ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ＥＭＡＣ ｉｓ 图２模式选择及外围电路 ｏｃ重丌儿配置向量共８０ ｂｉｔ，需要按照ＭＡＣ说明赋值。 ＰＨＹ读写在ＭＤＣ时钟驱动下，ＭＤＩＯ从ＦＰＧＡ ｐｏｒｔ（ 发送一串字节序列到ＰＨＹ芯片，由芯片检测到序列 ＴＩＥＥＭＡｃ０ｃ０ＮＦＩＧＶＥｃ：ｉｎ ｓｔｄｌｏｇｉｃｖｅｃｔｏｒ（７９ —＿执行相应操作，其中ＭＤＩＯ是双向端口。 ２．２时钟选择 ＭＨｚ，所以用２个ＤＣＭ—ＡＤＶ模块可以得到１２５ ＭＨｚ 和２００ ＭＨｚ。由于ＤＣＭ不能设定输出８．３ ＭＨｚ，采用 计数器设计一个分频器对１００ ＭＨｚ输入分频即可。 ２．３帧格式 基本网络传输是按照以太网帧格式进行传输， 本设计需要的时钟包括传输速率驱动时钟， １ ０００ Ｍｂｉｔ／ｓ对应的是１２５ ＭＨｚ时钟（当全局时钟， 时钟线分布最广），ＭＡＣ服务端驱动时钟２００ ＭＨｚ， 以及ＰＨＹ的ＭＤＣ，按照要求，ＭＤＩＯ的频率不得超 过８．３ ＭＨｚ 本设计用的是最广泛应用的ＥｔｈｅｍｅｔⅡ型帧格式。 其基本结构如下： 由于外围电路ＦＰＧＡ工作频率选用的是１００ 前同步码（ｐｒｅａｍｂｌｅ ｆｉｅｌｄ）：让物理层信号 （ＰＬＳ）与接收帧时序达到永久同步。前同步码是７ 个０ｘＡＡ（小字节１０１０１０１０），这里ＶＨＤＬ赋值是大 字节序，需要倒过来，是”０１０１０１０１”。 ６６４ 电 子 器 件 第３７卷 时钟上升沿来到时，循环７次赋值 ｆ０ｒ ｊ ｉｎ ０ ｔｏ ６ ｌｏｏｐ ｇｍｉｉｒｘｄ果表明该设计能实现网络数据的传输，稳定性好，灵 活性高，在科研生产中有很强的实用价值．＝． 参考文献： 何家维，何昕，魏仲慧．高速Ｃａｍｅｒａｌｉｎｋ图像数据光纤传输系 统设计［Ｊ］．信息技术，２０１ １（１０）：９—１２ ［２］ 刘民．嵌入式千兆以太网络图像传输系统设计［Ｄ］．大连：大 连理工大学，２０１２（６）：１—２ ＜：”０１０１０１０１”＂ａｌｔｅｒ ｄｌｙ： ｗａｉｔ ｕｎｔｉｌ ｇｒｎｉｉｔ￣ｅｌｋ ｉｎｔ’ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｇｍｉｉｊ￣ｅｌｋ ｉｎｔ＝‘１’： ｅｌｌ（Ｉ ｌｏｏｐ； 帧起始分解符（ＳＦＤ）：帧起始序列字段为１０１Ｏｌ０ｌ１ （小字节序）ＯｘＡＢ ｇｍｉｉｒｘｄ—＜＝”１１０１０１０１”ａｆｔｅｒ ｄｌｙ： ｗａｉｔ ｕｎｔｉｌ ｇｍｉｉ ｒｘ ｅｌｋ ｉｎｔ’ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｇｍｉｉｒｘ ｃｌｋ ｉｎｔ＝‘１’： ［３］ 马文超，张涛．一种基于ＦＰＧＡ的以太网高速传输平台［Ｊ］．计 算机工程，２０１２，３８（１）：２４２—２４３ ［４］ 马腾飞，高世杰，吴志勇．基于千兆以太网的 像采集系统设 地址需要定义数据类型，定义ｍａｔｒｉｘ（５ ｄｏｗｎｔｏ ０）ｏｆ ｓｔｄｌｏｇｉｃｖｅｃｔｏｒ（７ ｄｏｗｎｔｏ ０）的数据类型。 长度类型标明后面数据位长度，数据部分当实 际数据不够长度时，需要补０填充 类型Ｏｘ０８００代 表ｌＰ协议数据，ｌ６进制数０ｘ８０９Ｂ代表ＡｐｐｌｅＴａｌｋ 计［Ｊ］．技术与疗法，２０１０，９：７２—７４ ［５］ 王长清，陈栋．摹于ＦＰＧＡ的千兆以太网通信板的设计与实现 ［Ｊ］．河南师范发现学报（自然科学版）２０１ １，３９（１）：８６—８９ ｉｎｘ ＦＰＧＡ上的实现［Ｊ］．水泥 ［６］ 鲍兴川．ＴＣＰ／ＩＰ通信技术在Ｘｉｌ水文自动化，２００７（２）：２Ｏ一２２ 协议数据等，这里采用ＩＰ协议数据。 帧校验根据ＣＲＣｌ９ 。。计算生成的校验和填充 到末尾。 ［８］ ［７］ 高一沅，黄春晖．基于ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ的以太网通信系统平俞设汁 的研究［Ｊ］．现代电子技术，２００７（１７）：２９—３Ｉ ．ｇＯ７４ Ｖｉｒｔｅｘ——４ ＦＰＧＡ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｒｉ—Ｍｏｄｅ Ｅｌｂｅｒｎｅｌ ＭＡＣ Ｕｓｅｒ ３实验结果及分析 ［９］ Ｇｕｉｄｅ［ＥＢ／ＯＬ］．Ｘｉｌｉｎｘ．ｅｏｍ Ｇｉｕｓｅｐｐｅ Ｃａｍｐｏｈｅｌｌｏ，Ｇｉｕｓｅｐｐｅ Ｐａｔａｎｅ，Ｍａｒｃｏ Ｒｕｓｓｏ．Ｐａｒａｌｌｅｌ 实验仿真 片采用Ｘｉｌｉｎｘ Ｖｉｒｔｅｘ一４芯片 ＸＣ４ＶＦＸ２０一ｌ０ＦＦ６７２，该芯片集成干兆以太网ＩＰ核 ＣＲＣ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ＯＩ１ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ，２００３ ［１０］ 曹云鹏．以太网ＭＡＣ层协议研究与ＦＰＧＡ实现［Ｄ］．兰州：兰 州大学，２０１ｌ：４—２４ Ｎｏｒｏｕｚｎｅｚｈａｄ Ｅ，Ｂｉｇｄｅｌｉ Ａ，Ｐｏｓｔｕｌａ Ａ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｍａｒｔ Ｃａｍｅｒａ ｗｉｔｈ Ｇｉｇｅ Ｖｉｓｉｏｎ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｂｒ Ｓｍｗｅｉｌｌａｎｃｅ 以及ＤＣＭ管理时钟，能满足设计要求。 在ＩＳＥ中模拟发送端（ｇｍｉｉ—ｔｘｄ一０）发送字节 ０ｘ００，能在接收端（ｇｍｉｉ—ｒｘｄ－０）接收到数据０ｘ００，并 且全局时钟ｇｔｘ—ｃｌｋ和客户端ｈｏｓｔ—ｅｌｋ的时钟均能 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｍａｒｌ Ｃａｍｅｒａｓ，２００８．ＩＣＤＳＣ ２００８．Ｓｅｃｏｎｄ ＡＣＭ／ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． 满足设计的要求，说明该设７］－Ｉ￣满足实验目的。 ａｏ Ｈａｎ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｒｏｂｏｔ ［１２］ Ｈｅ Ｗｅｎｈａｏ，Ｙｕａｎ Ｋｕｉ，ＸｉＶｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＧｉｇＥ Ｖｉｓｉｏｎ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ【Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ２０１ １ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅ！ｌｅｅ ｏｎ Ｍｅｅｈａｔｒｏｎｉｅｓ ａｎｄ Ａｉｄｏｍａｔｉｏｎ．２０１１．４５２－４５７ 瞿 鑫（１９８９一），男，汉族，湖南衡阳 人，电子科技大学硕士研究生，主要研 究方向光电测控与精密仪器（电路系 统），ｑｕｘｉｎｎｈ＠ｌ２６．ｅｏｍ： 图３仿真结果 ４ 结论 本文从以太网传输的总体结构和基本原理出 发，设计了干兆以太网传输系统的方案，以ＭＡＣ＋ ＰＨＹ为核心，完成了网络架构中物理层和数据链路 吴云峰（１９７２一），男，汉族，电子科技大学 光电信息Ｔ程学院博十，能源科学与Ｔ程 学院副教授，研究生导师，主要研究方向 层的基本功能。与传统网络设计相比，传统网络传 输协议单一，不能更改，本设计的灵活性很高。在图 像采集系统中，新修订的相机接口的ＧｉｇＥ Ｖｉｓｉｏｎ ２．０协议¨。。 是在ＵＤＰ基础上做的改进，网络传输 就只能自己搭建网络协议，本设计的出发点就是为 为光电俭测仪器，功率变换器与智能控制 系统 在电子科技大学Ｔ作期间，作为课 题负责人，完成了总装新品项目和横向课 题ｌ０余项，总经费超６００万；或合作 发丧论文９ｏ余篇，一级学报发表论文２０ 余篇，ｙｆｗｕ一７２＠１６３．ｅｏｎｌ ． 了匹配该协议，为后续做图像传输做工作 实验结
