基于千兆網(wǎng)的FPGA多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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FPGA豐富的邏輯資源、充沛的I/O引腳以及較低的功耗，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，各大FPGA生產(chǎn)廠商為方便用戶的設(shè)計(jì)和使用，提供了較多的、可利用的IP核資源，極大地減少了產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)難度，從而使用戶得以更專注地構(gòu)思各種各樣創(chuàng)意且實(shí)用的功能，而不是把大量時(shí)間浪費(fèi)在產(chǎn)品的調(diào)試和驗(yàn)證中。
千兆以太網(wǎng)技術(shù)在工程上的應(yīng)用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。相比于其他RS-232或RS-485等串口通信，千兆以太網(wǎng)更加普及和通用，可以直接與Internet上的其他終端相連;相比于百兆網(wǎng)絡(luò)，千兆以太網(wǎng)傳輸速度更快、傳輸距離更遠(yuǎn)，再結(jié)合UDP/IP協(xié)議棧，可以更方便地與上位機(jī)進(jìn)行通信。
本文結(jié)合FPGA和千兆以太網(wǎng)靈活與快速的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道并支持不同格式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了更好地為上位機(jī)軟件所支持，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的UDP/IP數(shù)據(jù)通道來完成數(shù)據(jù)到上位機(jī)的高速傳輸。同時(shí)，為了克服UDP這類不可靠的、面向無連接的協(xié)議帶來的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和缺失問題，使用一塊DDR2SDRAM芯片來緩存各通道數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層制定了與上位機(jī)交互及丟包處理的通信協(xié)議，從而保證了采集數(shù)據(jù)到達(dá)上位機(jī)的可靠性。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了讓不同通道、不同格式的數(shù)據(jù)都能通過同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道被快速無誤地傳遞給上位機(jī)，由于設(shè)備與上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同，采集數(shù)據(jù)速率的變化，甚至網(wǎng)線質(zhì)量，使傳輸過程中的錯(cuò)誤和丟包情況在所難免，所以需要有適當(dāng)?shù)臋C(jī)制和存儲(chǔ)器緩存來保證傳輸?shù)目煽啃浴?/span>



圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
圖1所示即為本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，除了使用一塊DDR2 SDRAM芯片之外，網(wǎng)絡(luò)模型中物理層的功能由一塊PHY芯片來完成。目前一般PHY芯片均能兼容10Mbit.s-1、100Mbit.s-1、1 000 Mbit.s-13種速率的以太網(wǎng)傳輸，并向上層提供多種接口，如MII、GMII、RGMII和TBI接口等，對(duì)于上位機(jī)一側(cè)則直接是普通的RJ45網(wǎng)口插槽。物理層接收數(shù)據(jù)鏈路層的并行數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為原始的比特流;同時(shí)也將原始比特流轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)，提交給數(shù)據(jù)鏈路層。
2 FPGA模塊功能
FPGA模塊通過響應(yīng)上位機(jī)的指令，完成數(shù)據(jù)采集、打包、傳輸、丟包重傳等工作。所有工作的基礎(chǔ)是MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等OSI參考模型各層協(xié)議的可靠實(shí)現(xiàn)，每一層都按照標(biāo)準(zhǔn)接口向上一層提供特定服務(wù)，而把如何實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)的細(xì)節(jié)對(duì)上一層加以屏蔽。



圖2 FPGA模塊結(jié)構(gòu)
圖2顯示了系統(tǒng)FPGA模塊的具體結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)子模塊之間的關(guān)系。為縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，在模塊中分別調(diào)用了Altera公司現(xiàn)有的以太網(wǎng)控制器IP核和DDR2控制器IP核資源。
2.1 DDR2讀寫控制
若不考慮網(wǎng)絡(luò)中丟包的情況，數(shù)據(jù)一邊采集，一邊打包向上位機(jī)發(fā)送，是不需要外部存儲(chǔ)器來緩存的。但是在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，目前普通配置的PC機(jī)無法承受千兆以太網(wǎng)的快速傳輸能力，丟包很常見，尤其是增加到多個(gè)通道時(shí)，設(shè)備向上位機(jī)的輸出能力加大，丟包率也立即隨之升高。所以，使用一片DDR2 SDRAM緩存各通道的數(shù)據(jù)是必要的。
設(shè)計(jì)中直接調(diào)用Altera公司提供的DDR2 SDRAM控制器，并選用一塊它可以驅(qū)動(dòng)的芯片來提高工作效率。芯片可使用的緩存空間是要重點(diǎn)關(guān)注的。每個(gè)通道都要分配固定的緩存區(qū)域，所以要將有限的內(nèi)存空間作合理的劃分。如果是圖像數(shù)據(jù)，單個(gè)通道至少要有緩存兩幀以上的空間。DDR2讀寫控制模塊直接調(diào)用DDR2 SDRAM控制器IP核，但由于該IP核提供給用戶端的接口使用不方便，需要按照其文檔上介紹的時(shí)序來進(jìn)行突發(fā)式讀寫。
本模塊的功能主要是協(xié)調(diào)各通道采集數(shù)據(jù)的寫入和讀出。如圖3所示，寫操作時(shí)，各通道的數(shù)據(jù)首先用FPGA資源進(jìn)行緩存，然后寫入控制狀態(tài)機(jī)通過輪詢的方式依次檢查各個(gè)通道已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)量，如果足夠一次突發(fā)寫，則將其寫入SDRAM芯片的相應(yīng)通道塊中，然后再檢查下一通道;讀操作時(shí)，讀出控制狀態(tài)機(jī)也依次檢查各個(gè)通道寫入SDRAM芯片的數(shù)據(jù)量，如果足夠一次突發(fā)讀，則將其讀出，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。



圖3 DDR2 讀寫控制模塊結(jié)構(gòu)
基于以上控制方式，設(shè)計(jì)對(duì)各通道的數(shù)據(jù)格式是不作限制，如圖1中所示，可以是PAL、Camera Link、VGA等各種格式的圖像或組合，只是在采集之前向上位機(jī)報(bào)告各個(gè)通道的數(shù)據(jù)信息。但需要說明的是，這些數(shù)據(jù)的帶寬總和理論上不應(yīng)超過千兆以太網(wǎng)的最大傳輸速率，這是采用輪詢方式得以成功的前提。其實(shí)，如今普通PC機(jī)的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個(gè)最大限制，當(dāng)速度到達(dá)100 Mbit.s-1時(shí)，上位機(jī)丟包就已經(jīng)很嚴(yán)重。如果是將采集的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示，最多可能只有70～80 Mbit.s-1;如果還要將數(shù)據(jù)寫入硬盤，那數(shù)據(jù)率則會(huì)更低，除了配備一塊上好的硬盤之外，還需要在上位機(jī)軟件的優(yōu)化上多作努力。
2.2以太網(wǎng)發(fā)送接收控制
本模塊的功能就是MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層各層協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，這些子模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃枰哂幸欢ǖ木彺婧筒殄e(cuò)能力，同時(shí)為了能擴(kuò)展其他協(xié)議，還必須保持相互之間的獨(dú)立性。如圖4所示，硬件設(shè)備接收數(shù)據(jù)的過程就是以太網(wǎng)幀經(jīng)過每一層，去除各層的首部并核對(duì)校驗(yàn)，最后獲得純粹的用戶數(shù)據(jù);發(fā)送數(shù)據(jù)的過程就是用戶數(shù)據(jù)每經(jīng)過一層，添加相應(yīng)的首部和校驗(yàn)，直到組成一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀。
1)MAC子層的功能。設(shè)計(jì)中直接調(diào)用Altera公司提供的三速以太網(wǎng)控制器IP核實(shí)現(xiàn)MAC子層的功能，該IP核提供了統(tǒng)一的寄存器接口，用戶可以通過它來配置以太網(wǎng)最大幀長(zhǎng)、源MAC地址、目的MAC地址和PHY地址等重要信息。如圖4所示，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAC模塊向數(shù)據(jù)幀添加以太網(wǎng)首部，并利用CRC算法添加32位的校驗(yàn)碼;接收數(shù)據(jù)時(shí)，MAC模塊同樣要進(jìn)行CRC校驗(yàn)，對(duì)于不正確的數(shù)據(jù)幀要予以丟棄，用戶也可以通過配置寄存器決定是否將校驗(yàn)位一并送至上一層。
(2)UDP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于TCP協(xié)議的三次握手，UDP和IP協(xié)議面向無連接的性質(zhì)使其在硬件上可以快速實(shí)現(xiàn)，至于連接的建立完全可以在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。
如圖4所示，UDP和IP協(xié)議的功能在硬件上的實(shí)現(xiàn)有較多相同之處：對(duì)于上層發(fā)送的數(shù)據(jù)均需要添加相應(yīng)的首部和校驗(yàn)和;對(duì)于下層接收的數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)校驗(yàn)和，并去除首部，然后才能送到上一層;由于首部中有該數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度區(qū)域，所以無論是發(fā)送和接收，都需要將數(shù)據(jù)包全部緩存，才能確定其長(zhǎng)度大小，相當(dāng)于一種“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”的機(jī)制。
當(dāng)然，UDP協(xié)議與IP協(xié)議在實(shí)現(xiàn)時(shí)也有不同的地方，主要體現(xiàn)在校驗(yàn)和的計(jì)算方法上。UDP協(xié)議的校驗(yàn)和是將首部和數(shù)據(jù)一起校驗(yàn)，而且這個(gè)首部不僅是8 Byte的UDP首部，還包括12Byte的偽首部。在UDP層計(jì)算校驗(yàn)和還用到了IP層的地址，但這違背了網(wǎng)絡(luò)分層模型的理念。IP協(xié)議的校驗(yàn)和只計(jì)算IP數(shù)據(jù)包的頭部，一般情況下只有固定的20 Byte.
2.3應(yīng)用層協(xié)議處理
不同通道采集的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度進(jìn)行打包，然后再發(fā)送到上面的以太網(wǎng)控制模塊，需要專門的模塊進(jìn)行組織和調(diào)度，并添加對(duì)應(yīng)通道的標(biāo)簽。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中也不只是設(shè)備到上位機(jī)方向的采集數(shù)據(jù)包，也有反方向的用于控制的命令包：首先要考慮的問題是設(shè)備從何時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，何時(shí)停止采集，這都是要上位機(jī)發(fā)送命令來控制的;其次，對(duì)于丟失包的統(tǒng)計(jì)與處理，這一部分工作稍微有些困難，但無論是設(shè)備和上位機(jī)都可以完成，顯然交給上位機(jī)處理比較適宜，然后上位機(jī)向設(shè)備發(fā)送帶丟失包序號(hào)的短數(shù)據(jù)包，設(shè)備優(yōu)先從DDR2緩存中找到該丟失的數(shù)據(jù)包，發(fā)往上位機(jī)。
系統(tǒng)中完成這些功能的模塊相當(dāng)于一個(gè)位于UDP/IP層之上的應(yīng)用層協(xié)議，而這個(gè)協(xié)議的內(nèi)容是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所規(guī)定的，但必須為FPGA開發(fā)人員和上位機(jī)軟件程序開發(fā)人員所共享，這樣在不同機(jī)器上的對(duì)應(yīng)層就有了一個(gè)可以互相通信的對(duì)等體(Peer)。這樣制定應(yīng)用層協(xié)議，不但增加了系統(tǒng)相關(guān)功能的保密性，還可以由開發(fā)人員自行裁剪應(yīng)用層功能，靈活地協(xié)調(diào)軟硬件應(yīng)該負(fù)責(zé)的細(xì)節(jié)，最后敲定最簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)方案。

3上位機(jī)軟件的功能
由于本系統(tǒng)的硬件部分實(shí)現(xiàn)了UDP/IP協(xié)議棧的內(nèi)容，上位機(jī)軟件在開發(fā)時(shí)有了較多可利用的系統(tǒng)調(diào)用，主要是Socket(套接字)原語的使用。相對(duì)于硬件開發(fā)來說，軟件開發(fā)方便實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能和計(jì)算，所以在系統(tǒng)構(gòu)想之初就刻意將一些較難實(shí)現(xiàn)的部分交由上位機(jī)軟件來處理，主要是圖像幀間隔的識(shí)別和重傳包的統(tǒng)計(jì)。
關(guān)于數(shù)據(jù)包重傳，硬件設(shè)備在傳送各個(gè)通道的圖像時(shí)，只選取一個(gè)合適的點(diǎn)開始采集圖像，而不負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)包中添加圖像幀的開始和結(jié)束等信息，因?yàn)檫@樣不僅偏離了多通道圖像和數(shù)據(jù)兼容的初衷，而且給FPGA程序的實(shí)現(xiàn)增加了困難，尤其是采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)出DDR2 SDRAM緩存，如果在這些純數(shù)據(jù)中添加額外的標(biāo)志數(shù)據(jù)，可能會(huì)打亂整個(gè)緩存區(qū)的布局。所以上位機(jī)只能根據(jù)接收的數(shù)據(jù)量來判斷各個(gè)圖像幀之間的間隔，然后無論顯示或存儲(chǔ)，都以幀為單位進(jìn)行。
4系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
4.1 ARP包的響應(yīng)與抑制
上位機(jī)在向設(shè)備發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包之前，可能會(huì)先發(fā)送一個(gè)ARP包，請(qǐng)求設(shè)備的MAC地址。所以在FPGA程序中要能響應(yīng)該數(shù)據(jù)包，并發(fā)送ARP回復(fù)，否則設(shè)備與上位機(jī)將不能通信。得到設(shè)備的MAC地址后，上位機(jī)會(huì)暫時(shí)將其保存，建立一個(gè)ARP表項(xiàng);一段時(shí)間后，ARP表老化，會(huì)再次向設(shè)備發(fā)送ARP請(qǐng)求。
為了能正確響應(yīng)ARP請(qǐng)求和回復(fù)，必須要清楚ARP數(shù)據(jù)包的格式。如圖5所示，如果以太網(wǎng)幀“幀類型”區(qū)域的值為0x0806，則表示該幀后面的數(shù)據(jù)填充為一個(gè)ARP包。至于是ARP請(qǐng)求還是ARP回復(fù)，需要根據(jù)ARP首部的操作碼來辨別：操作碼為0x0001，則是ARP請(qǐng)求包;操作碼為0x0002，則是ARP回復(fù)包。ARP請(qǐng)求包填入一個(gè)廣播幀并發(fā)向網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)，所以其以太網(wǎng)目的地址為廣播幀地址0xffffffffffff，并且由于它的目標(biāo)是請(qǐng)求目的主機(jī)的MAC地址，故圖中“接收方MAC地址”區(qū)域沒有確切值，可為任意6 Byte的填充;ARP回復(fù)包已經(jīng)得到了所需的MAC地址，但是要注意，此時(shí)的發(fā)送方和接收方已經(jīng)對(duì)調(diào)，相應(yīng)區(qū)域的填寫也應(yīng)適當(dāng)改變。



圖4 用戶數(shù)據(jù)打包/解包示意圖
以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定的最短幀長(zhǎng)為64Byte，這就要求其數(shù)據(jù)填充至少為46 Byte，如圖4所示，而圖5中的ARP字段共有28 Byte，所以無論是ARP請(qǐng)求還是回復(fù)，均應(yīng)有18 Byte的填充數(shù)據(jù)。有些PC機(jī)會(huì)發(fā)送其他設(shè)備的ARP請(qǐng)求，即使此時(shí)只有一根直連線將設(shè)備與上位機(jī)相連。這時(shí)設(shè)備是不能響應(yīng)該請(qǐng)求的，應(yīng)當(dāng)在MAC層和IP層之間就將這樣的請(qǐng)求屏蔽，防止干擾正常的數(shù)據(jù)包傳輸。



圖5 ARP包格式
4.2 Jumbo幀的利弊
以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大幀長(zhǎng)度為1 518 Byte，這包括IP層和UDP層添加的首部，一般發(fā)送的數(shù)據(jù)包也都應(yīng)該限制在這一范圍內(nèi)。但千兆以太網(wǎng)有一種廠商標(biāo)準(zhǔn)的超長(zhǎng)幀格式，目前還沒有獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的認(rèn)可，它規(guī)定的幀格式與普通以太網(wǎng)幀相同，只是其數(shù)據(jù)填充區(qū)域可以突破原有限制，整個(gè)幀長(zhǎng)度為9 000～64 000 Byte不等，即Jumbo巨型幀。
在本系統(tǒng)中采用Jumbo幀的好處：(1)可以適當(dāng)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。這主要靠節(jié)省各層首部的添加得到。(2)減少操作系統(tǒng)因頻繁響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷而帶來的CPU資源的過多占用。這可以說是采用Jumbo幀的主要原因，因?yàn)橐幚砬д滓蕴W(wǎng)較高的數(shù)據(jù)率，無論上位機(jī)軟件如何優(yōu)化，CPU的占用仍然很高，這時(shí)如果能減少其他地方的CPU開銷，將大幅增加軟件的處理能力。
但Jumbo幀在使用時(shí)也有一些不利的地方。首先，目前很多PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器不支持Jumbo幀的傳輸，雖然Altera的以太網(wǎng)控制器IP核支持，但這不足以使兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信;其次，Jumbo幀會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用網(wǎng)絡(luò)通道，這會(huì)影響那些對(duì)數(shù)據(jù)延遲敏感的設(shè)備和應(yīng)用;第三，Jumbo幀的丟包意味著嚴(yán)重的災(zāi)難，一幀相當(dāng)于十多個(gè)正常幀，這會(huì)將處理能力弱的PC機(jī)迅速引入重傳的陷阱，丟包越來越多，直到網(wǎng)絡(luò)帶寬被全部占用，導(dǎo)致上位機(jī)軟件崩潰。所以在考慮支持Jumbo幀之前，應(yīng)先充分權(quán)衡這些優(yōu)勢(shì)與不足。
5結(jié)束語
系統(tǒng)硬件設(shè)備與上位機(jī)軟件配合工作，可以較好地完成雙路彩色PAL制數(shù)據(jù)流的采集任務(wù)。通過實(shí)際測(cè)試與分析，采用Jumbo幀進(jìn)行傳輸，有效地減少了軟件運(yùn)行過程中的系統(tǒng)中斷數(shù)，從而最大限度地降低了CPU的占用。利用搭建起來的千兆以太網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，可以擴(kuò)展類似的高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。

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