FPGA與PC間基于PCIe和千兆以太網(wǎng)的通信設(shè)計(jì).pdf

1、隨著系統(tǒng)性能、功能和帶寬的提高，高速數(shù)據(jù)采集與記錄以及其他數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)吞吐量都日益增長(zhǎng)。因此通過(guò)研究發(fā)展新的高速接口技術(shù)來(lái)解決帶寬限制和高速傳輸這些關(guān)鍵問(wèn)題是一種必然趨勢(shì)和迫切的需求。FPGA已發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺(tái)之一，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理及通信等各個(gè)領(lǐng)域。FPGA在信號(hào)處理時(shí)可并行運(yùn)行，處理速度快，但不適合實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜的運(yùn)算處理。而PC計(jì)算機(jī)具備相當(dāng)強(qiáng)大的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，所以通常情況下會(huì)將需要進(jìn)行高精度復(fù)雜的計(jì)算交由計(jì)

2、算機(jī)負(fù)責(zé)處理。這就涉及到FPGA與PC間進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，因此構(gòu)建PC機(jī)與FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)成為當(dāng)前的研究趨勢(shì)。本文根據(jù)當(dāng)前研究趨勢(shì)和實(shí)際科研項(xiàng)目要求，對(duì)PCIe和千兆以太網(wǎng)進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)了PCIe DMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。本文的具體工作如下：
　　1.深入研究PCIe和千兆以太網(wǎng)，了解PCIe和千兆以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體分析PCIe和千兆以太網(wǎng)的傳輸協(xié)

3、議，詳細(xì)說(shuō)明PCIe TLP數(shù)據(jù)包格式和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式。
　　2.完成PCIe DMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案主要包括兩大部分，分別是FPGA端Verilog邏輯模塊開(kāi)發(fā)以及PC端的驅(qū)動(dòng)和C應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。FPGA端基于PCIe IP Core完成了發(fā)送接收引擎模塊、寄存器讀寫(xiě)控制模塊和FIFO讀寫(xiě)控制模塊的設(shè)計(jì)。定義了相應(yīng)模塊的接口，并分析了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序。PC端采用WinDriver進(jìn)行PCIe的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，并根據(jù)WinD

4、river提供的驅(qū)動(dòng)API函數(shù)完成C應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
　　3.完成千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案也主要包括兩大部分，分別是FPGA端Verilog邏輯模塊開(kāi)發(fā)以及PC端Winpcap應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。FPGA端基于嵌入式三態(tài)以太網(wǎng)MACIP Core，設(shè)計(jì)了發(fā)送接收引擎模塊、FIFO讀寫(xiě)控制模塊和物理接口模塊。定義了相應(yīng)模塊的接口，并分析了數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)LocalLink接口和Client用戶接口上的傳輸時(shí)序。PC端采用Winpc

5、ap提供的網(wǎng)絡(luò)編程完成了C應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了捕獲FPGA端發(fā)送的數(shù)據(jù)包以及發(fā)送原始數(shù)據(jù)包至FPGA端的功能。
　　4.PCIe DMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在Xilinx ML507開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行了性能測(cè)試。記錄FPGA與PC間進(jìn)行讀寫(xiě)測(cè)試的結(jié)果，驗(yàn)證這兩個(gè)系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，最后分析了影響系統(tǒng)傳輸速率的原因以及系統(tǒng)目前仍存在的不足。
　　本文設(shè)計(jì)的PCIe DMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基本實(shí)