基于FPGA的RapidIO和万兆以太网路由控制器设计

摘要

随着信息社会的发展，人们对计算机技术的高实时性和高可靠性的要求日益增长，加之芯片技术的不断进步，嵌入式计算技术将获得广阔的发展空间和应用前景。目前，嵌入式计算技术已进入工业控制、环境工程、信息家电和个人移动数据处理等诸多领域，尤其是高性能嵌入式计算技术，在国防、航天等重要领域发挥着重要作用。高性能嵌入式分布式集群系统的发展离不开高速总线电路的发展。在以高性能嵌入式计算技术构建的综合化信息处理系统中，为了实现数据的高速通信，采用串行RapidIO高速总线和万兆以太网两种协议分别作为射频前端预处理和后端综合显控处理的数据交换网络，因此，面临两种协议之间的实时数据转换问题。
　　串行RapidIO由于使用高速串行技术，并且拥有可以将多个处理器互联，使计算机集群化，云计算化、内存共享等特点，被广泛运用于嵌入式计算机的芯片间、板间通信互联。目前，在嵌入式计算机领域及通信技术领域，RapidIO已逐渐成为新型多计算机、多处理器、多DSP的互联的首要选择。万兆以太网是一种高速以太网接口，提供10Gbps的以太网带宽的长距离传输，被广泛应用于数据交换中心、数据视频广播等需要高带宽数据的场合，并且可以有效实现网络上大数据量汇聚和链路聚合。
　　本文针对两种协议之间的实时数据转换问题，设计了一个串行RapidIO和万兆以太网之间的路由控制接口，采用硬件设计技术实现了高速实时的数据传输通道，可以被广泛应用于综合信息电子系统，以及作为智能的IO接口模块形式应用于多个前端射频预处理和核心处理机平台中，用以解决嵌入式实时系统和后端任务信息处理系统的大数据实时交换问题，有很高的应用价值。
　　本文的主要工作包括:
　　(1)设计了一个基于FPGA的串行RapidIO和万兆以太网之间的路由控制接口，可在两种协议之间实现数据包转换的流水操作。该接口由一个4×SRIO接口、一个万兆以太网接口和一个用户调度逻辑模块构成，其中用户调度逻辑模块主要进行两部分处理:接收万兆以太网传来的数据包转换为RapidIO邮箱消息与接收RapidIO邮箱消息转换为以太网包。
　　(2)使用RapidIO邮箱消息机制来处理不同协议之间的数据包转换，将接收到的以太网包拆分成若干个消息段(segs)，而将接收到的RapidIO邮箱消息组合成以太网包进行发送。使用RapidIO Doorbell作为中断，用来通知接收方发送已完成。在万兆网转RapidIO和RapidIO转万兆网两个方向上，都采用可重传超时错误包的消息发送结构。
　　(3)在接收处理RapidIO邮箱消息时，需要将消息存储在FPGA上，等收齐一组消息后再按照以太网包的格式发送。为了区分消息内容和其他邮箱消息，专门设计了16个邮箱模块来进行多组消息的整合，并通过比对消息长度(Msglen)和消息标识(Msgseg)来检查一组消息是否发送完成。
　　(4)使用物理地址与邮箱地址查找表寄存器组来配置万兆以太网络设备与RapidIO邮箱之间的匹配信息。同时，采用RapidIO的NREAD和NWRITE操作对寄存器进行相应的维护与更改。

目录

摘要

英文缩写说明

第一章 引言

1．1 研究背景以及意义

1．2 万兆以太网简介

1．2．1 IEEE 802．3ae标准的特征

1．2．2 万兆以太网的应用

1．3 RapidIO简介

1．3．1 RapidIO概述

1．3．2 RapidIO的应用

1．3．3 RapidIO与其他互连技术的比较

1．4 论文的主要内容和结构安排

第二章 万兆以太网协议概述

2．1 万兆以太网物理层

2．1．1 物理层简介

2．1．2 物理介质层(PMD)

2．1．3 10GBASE-X的物理层工作原理

2．2 物理层接口

2．2．1 万兆以太网物理层电平接口标准

2．2．2 XGMII接口

2．2．3 XAUI接口

第三章 RapidIO协议概述

3．1 RapidIO技术概要

3．1．1 包与控制符号

3．1．2 包格式

3．1．3 事务格式与类型

3．1．4 消息传递(Message Passing)

3．1．5 NREAD、NWRITE与消息事务包格式

3．1．6 包开销

3．2 物理层接口

3．2．1 并行物理层

3．2．2 串行物理层

3．2．3 链路协议

第四章 万兆以太网与RapidIO路由控制器设计

4．1 功能描述

4．1．1 设计思路

4．1．2 结构框图

4．2 实现方案

4．2．1 用户调度逻辑——RapidIO消息的接收处理

4．2．2 用户调度逻辑——万兆以太网包的接收处理

4．2．3 主要内部模块说明

4．2．4 模块处理数据格式

第五章 测试结果与分析

5．1 测试平台

5．1．1 硬件环境

5．1．2 软件环境

5．2 测试内容

5．2．1 万兆以太网包的接收处理

5．2．2 RapidIO邮箱消息的接收处理

5．2．3 寄存器配置读写

参考文献

附录

致谢

声明