基于FPGA的核间高速接口的设计与验证

摘要

随着用户对信息传输需求的不断增长,基带信号处理的处理带宽和吞吐量需求与日俱增。这对数据传输接口设计的要求越来越高,传统的并行传输技术并不能满足高带宽、高速率和高可靠性的需求。此时,高速串行传输技术应运而生,高速GTX接口和千兆以太网接口是其中两个重要的数据传输接口。
　　基于片上网络(NoC)的多核处理器硬件设计规模和复杂程度不断增加,使得单片FPGA(或ASIC)硬件资源紧张的问题突出。此外并行化处理机制将一个大的处理任务划分为多个小的处理任务,分配到不同的处理器上分别运行,从而实现任务处理的并行化。这些都需要芯片间、处理器核间的高速数据传递。本论文利用高速串行接口实现了NoC互联扩展到多FPGA开发板的总体设计。首先介绍了高速GTX接口的传输技术。接着在高速串行传输接口设计部分,对 Aurora协议和用户自定义通信协议进行分析,并对二者做了简要的比较。最后,结合设计需求,本文采用了用户自定义通信协议,并合理设计核间数据传输和状态采集这两种数据的帧格式,保证通道传输的可靠性与实时性。
　　随着互联网技术不断地创新和进步,大量应用的需求使得以太网传输模式迅速发展,基于以太网的小型嵌入式通信系统的应用正变得越来越重要。千兆以太网作为第三代的以太网技术,不仅保持了原来传统以太网的优势,还具有许多新的特性,因此得到了广泛的应用。本文介绍了千兆以太网传输技术,对系统使用的PCS/PMA和三态MAC IP核进行了研究和软件仿真,完成了IP的设置和接口的设计。在验证平台上进行FPGA间、PC与FPGA间通过千兆以太网接口通信的实验测试时,首先通过 FPGA间的通信验证了接口代码的正确性;再对通过BCM5396千兆以太网交换芯片连接FPGA和PC的场景进行了测试,通过查看寄存器信息调试实现PC与FPGA间的正常通信。
　　最后,在 Xilinx Kirtex-7系列 FPGA芯片为核心的硬件平台上,完成了面向LTE公共基带处理应用的NoC原型实现,对本文所设计的各个高速接口的功能和性能进行了测试和验证。

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第一章 绪论

1.1论文选题意义和课题来源

1.2高速数据连接技术概述

1.3 NOC与多核处理器

1.4论文主要工作和结构

第二章 多FPGA开发板NoC互联总体设计

2.1开发板的互连框架及其特点

2.2多FPGA开发板NoC互联总体设计方案

2.3本章小结

第三章 高速GTX传输接口设计与验证

3.1高速GTX接口传输技术介绍

3.2高速GTX接口研究

3.3 NoC的核间数据传输高速串行接口设计

3.4 NoC的核间数据采集高速串行接口设计

3.5 NoC核间高速GTX接口设计的验证

3.6 本章小结

第四章 千兆以太网传输接口设计及测试

4.1千兆以太网传输技术

4.2 Xilinx的千兆以太网解决方案

4.3 FPGA间通过GE的数据通信

4.4 PC和FPGA间通过GE的数据通信

4.5本章小结

第五章 LTE-Advanced系统演示

5.1系统演示简介

5.2 NoC 映射与原型交换节点设计

5.3演示系统硬件平台介绍

5.4基于NoC多核架构LTE-Advanced典型系统演示结果

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

学位论文评审后修改说明表