基于FPGA的UDP萬兆光通信測試

本文開源一個(gè)FPGA項(xiàng)目：UDP萬兆光通信。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了萬兆光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)回環(huán)傳輸功能。Vivado工程代碼結(jié)構(gòu)和之前開源的《UDP RGMII千兆以太網(wǎng)》類似，只不過萬兆以太網(wǎng)是調(diào)用了Xilinx的10G Ethernet Subsystem IP核實(shí)現(xiàn)。由于該IP核需要付費(fèi)使用，本文提供完整工程源碼。

下面圍繞該IP核的使用、用戶接口，以及數(shù)據(jù)傳輸方案展開介紹。

01軟硬件平臺(tái)

• 軟件平臺(tái)：Vivado 2017.4;
• 硬件平臺(tái)：XC7Z035FFG676-2;

02IP核參數(shù)配置

AXI4-Stream數(shù)據(jù)位寬 ： 選擇64bits。對(duì)應(yīng)的用戶接口時(shí)鐘頻率為156.25MHZ。

MAC Options ： 選擇使用AXI-Lite接口對(duì)IP核寄存器進(jìn)行配置，同時(shí)需要設(shè)置時(shí)鐘頻率，這里設(shè)置為100MHZ（該設(shè)置僅對(duì)IP核out-of-context模式的綜合有效）；不使用參數(shù)統(tǒng)計(jì)和優(yōu)先級(jí)流量控制功能。

PCS/PMA Options： 配置GTX動(dòng)態(tài)重配置端口DRP時(shí)鐘為100MHZ（該設(shè)置同樣僅對(duì)IP核out-of-context模式的綜合有效）；不使用Transceiver Debug功能。

IEEE1588 Options： IEEE1588功能一般用于某些需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的場合，例如音（視）頻傳輸。在本項(xiàng)目中只是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以不選擇使用。

Shared Logic： 由于在此項(xiàng)目Vivado工程中只需例化一個(gè)該IP核，因此這里選擇Include Shared Logic in core，將共享資源包含在IP內(nèi)部即可。如果需要例化多個(gè)該IP核，只需將其中一個(gè)IP核配置為Include Shared Logic in core，其余的都配置為Include Shared Logic in example design。

03用戶接口

• AXI-Stream發(fā)送接口

用戶通過該接口將要發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包寫入IP核。另外，由tx_ifg_delay接口控制發(fā)送間隔，將其配置為0即可。AXI-Stream發(fā)送接口時(shí)序如下圖所示。

• AXI-Stream接收接口

用戶通過該接口讀取IP核輸出的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。AXI-Stream接收接口時(shí)序如下圖所示。

• Pcspma-Status接口

該接口用于輸出IP核內(nèi)部PCS PMA部分工作狀態(tài)，在該工程中只有第0bit有效，用于指示PCS Block Lock。

• Sim-Speed-Up接口

該接口只在仿真時(shí)會(huì)用到，用于加快仿真速度，在該工程中將其設(shè)置為0即可。

• Optical模塊接口

signal_detect：光模塊狀態(tài)指示信號(hào)，配置為1；

tx_fault：光模塊狀態(tài)指示信號(hào)，配置為0；

tx_disable：輸出光模塊控制信號(hào)。

• Flow-Control接口

在高帶寬、大負(fù)荷傳輸場合，一般需要流量控制功能。在該工程不需要發(fā)送暫停幀，因此將以下兩個(gè)信號(hào)設(shè)置為0。

s_axis_pause_tvalid & s_axis_pause_tdata。

• AXI-Lite接口

該接口用于讀寫IP核內(nèi)部寄存器，通過對(duì)IP核各參數(shù)進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)基本的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)功能。

04數(shù)據(jù)傳輸方案及測試

該項(xiàng)目的功能主要用于實(shí)現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)光纖數(shù)據(jù)回環(huán)傳輸，在電腦端通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)包，F(xiàn)PGA端接收、緩存數(shù)據(jù)包后回傳給上位機(jī)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)回環(huán)傳輸方案如下圖所示。

其中，時(shí)鐘為156.25MHZ，數(shù)據(jù)位寬為64bits。在UDP IP核和10G Ethernet Subsystem IP核之間，通過插入FIFO實(shí)現(xiàn)對(duì)每包以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的緩存功能。

利用wireshark軟件抓取PC端和FPGA端之間以太網(wǎng)雙向傳輸數(shù)據(jù)包，結(jié)果如下圖所示。