基于FPGA的GigE Vison IP設(shè)計要點分析

本文簡要描述基于FPGA和萬兆網(wǎng)的GigE Vison IP設(shè)計方案。

一、GigE Vsion協(xié)議要點

GigE Vison協(xié)議基于普通的以太網(wǎng)物理鏈路，運行在UDP協(xié)議層之上，包含控制協(xié)議GVCP和數(shù)據(jù)流協(xié)議GVSP兩大部分，整個層次結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 GigeVison協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖

GigE Vison協(xié)議的要點如下：

（1）上電或復位完成后必須先進行IP配置和設(shè)備枚舉，必須支持DHCP和LLA（Auto IP）兩種IP配置方式；

（2）在UDP層上建立應(yīng)答握手機制以保證傳輸，GVCP采用3956端口，數(shù)據(jù)長度必須以32bit為邊界，數(shù)據(jù)不可分包傳輸；

（3）設(shè)備必須支持心跳功能以確認處于連接狀態(tài)；

（4）支持控制（1個）、數(shù)據(jù)流（1~512個）和消息（0~1個）三種通道，每個通道分配不同的UDP端口，控制通道支持三種不同的訪問權(quán)限；

（5）必須支持最小規(guī)模的ICMP（GigeVsion要求必須支持Ping命令）；

（6）GVSP的數(shù)據(jù)包以字節(jié)為邊界，數(shù)據(jù)包的大小由第一個有效的test packets決定，支持錯誤恢復和流控制；

（7）GVSP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝粸锽lock，一個完整的Block由Data Leader、Data Payload和Data Trailer構(gòu)成；

（8）所有的Gige Vison相機都必須在他們的XML描述文件中強制制定相機的參數(shù)信息。

（9）bootstrap寄存器及XML文件需要非易失Flash硬件支持。

二、IP功能設(shè)計方案要點描述

GigE Vison邏輯IP需要實現(xiàn)圖1所示的所有協(xié)議層，方案中硬件平臺基于Xilinx 7系列器件XC7K325T/XC7K160T，下圖2是GigE Vision IP核的模塊框架結(jié)構(gòu)。

圖2 GigE Vision IP核的框架結(jié)構(gòu)

（1）物理層

物理層使用Xilinx 10G Ethernet Subsystem IP核，版本v3.1。對外數(shù)據(jù)接口例化為AXI4 Stream，位寬64bit，數(shù)據(jù)時鐘156.25MHz；配置接口例化為AXI4-Lite，位寬32bit，時鐘頻率100MHz。

IP核配置通過Microblaze軟核完成，并且使能Jumbo幀功能。功能、接口、配置和使用說明參見Xilinx官方文檔PG157。

（2）IP/UDP層

IP層協(xié)議僅支持IPv4版本，IP數(shù)據(jù)報頭Options項為空；需要支持DHCP、ARP和ICMP協(xié)議，內(nèi)部通信采用64位AXI4 Steam總線通信。

（3）GVCP/GVSP協(xié)議

支持GigE Vison Specification version 1.0標準描述的所有必須支持的項，GVSP數(shù)據(jù)包負載類型支持Payload type = RawData/YUV422-8bit/RGB888。為完整實現(xiàn)功能，部分控制放在處理器上完成（本設(shè)計實例使用MicroBlaze），需要掉電保存的項存儲在外部Flash中，需要大量緩存的數(shù)據(jù)存儲在片外DDR中。

RTL描述語言使用Verilog，編譯工具使用XilinxVivado2016.4，仿真工具使用ModelSim 10.2C。

備注：

（1）為簡化邏輯端的設(shè)計難度，可將GVCP協(xié)議放在Microblaze里面實現(xiàn)，使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS里運行；

（2）物理層使用千兆網(wǎng)的，本方案仍然可行，只需修改物理層接口即可；使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS里軟件實現(xiàn)所有的GVCP和GVSP協(xié)議；

三、測試結(jié)果

在Xilinx K7 325T器件上實現(xiàn)完整的系統(tǒng)（包括DDRMig、Microblaze等），占用Slice約30K。

與PC進行點對點數(shù)據(jù)傳輸測試，穩(wěn)定傳輸速率約為6.5Gbps，可輕松傳輸4K無壓縮原圖或一些特殊圖像數(shù)據(jù)如超聲、CT、雷達等原始數(shù)據(jù)。