标题:
【转】基于嵌入式Linux和FPGA的千兆网数据传输的实现
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作者:
samwalton
时间:
2013-7-13 17:14
标题:
【转】基于嵌入式Linux和FPGA的千兆网数据传输的实现
引言
中国散裂中子源实验的简图如图1所示,其原理是把中子束打在被测样品(例如新药品或机翼材料)上,探测被反射的中子位置就能计算出样品的内部结构图像,其特点如下: A/D采集通道多,每个通道的数据带宽高,且需要把现场采集的数据传到远程
服务器
上。因此,要求数据传输模块既要成本低、微型化、具备网络功能,也要数据带宽高。
图1 中国散裂中子源实验简图
单片机或
arm
具有微型化、低成本的特点,但数据带宽和灵活性不满足本项目;工控计算机数据处理能力强,有网络接口,但是体积过大,成本高;传统高能物理实验采用的VME系统也因体积大、数据带宽有限而不适合用在中国散裂中子源实验上。
FPGA有很高的性能,而且内部还集成PowerPC处理器、千兆网MAC等硬核资源,这使得在一块FPGA上就能构建一个完整的片上系统,使整个系统体积可以做的很小。在FPGA片内PowerPC硬核上移植
嵌入式
linux
操作系统,用软件来实现网络传输
协议
可以解决用FPGA硬件描述语言实现TCP/IP
协议
难度大的问题。FPGA的高性能、高可靠性和Linux的灵活性完美结合在一个片内,能较好地满足本项目的需求。
1 系统的总体构成及层次
本系统可以分为5个层次,如图2所示,
最低层为外围电路硬件层,每一层都是建立在其下一层之上。
2 系统外围电路的简介
本文在硬件上采用了实验室自行设计的电路板,用的是带PowerPC的xilinx Virtex4 FPGA,电路如图3所示。
图3 系统的硬件模块框图
3 SOPC的构建
SOPC (System on a Programmable Chip) 即可编程片上系统,把整个系统放到一块硅片上,是一种特殊的
嵌入式
系统,具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统可编程的功能。
3.1 开发工具
Xilinx 公司提供了FPGA开发工具EDK(Embedded Development Kit),它带有大量可配置可定制的IP核,可以大大提高设计的效率,使设计者把主要精力放在设计系统架构上,能很方便的对FPGA进行模块化的重构和裁剪,提高设计的灵活性,减少了外围器件,符合SOPC的思想。
3.2 SOPC的总体构成
SOPC系统构建完成后的框图如图4所示,其中PowerPC405是已经固化在FPGA内部的硬核,工作频率设为300MHz,配置时要选择cache选项,否则运行嵌入式Linux会很慢。PowerPC405通过PLB(Process Local Bus)总线核和各个IP模块互联构建了一个完整的SOPC系统。
图4 FPGA内部各个IP模块框图
3.3 内存端口的设置
MPMC (Multi-Port Memory Controller)是DDR2内存控制器的IP核,它最多可以接八个数据端口,这样的好处是多个设备都可以通过各自的端口共享内存,本论文使用了四个端口:port0和port1都通过plb总线连接在PowerPC上,分别用于传输指令和数据,port2端口采用的是NPI(Native Port Interface)接口,用于接收A/D模块传输过来的用户数据,port3采用SDMA (Soft Direct Memory Access)接口,通过locallink总线和千兆网IP核相连。在对MPMC配置时要根据内存的型号、大小等实际参数来设置。
3.4 用户自定义数据接口IP核
开发工具虽然提供了一些常用的IP核,但是对于一些特定要求的逻辑,需要用户自己开发。由于从A/D采集板传送过来的数据速度很大,所以本论文在MPMC 的port2上采用NPI接口把A/D模块传过来的数据直接送入DDR2中。需要用硬件描述语言编写基于NPI接口的逻辑,并且还要编写基于PLB总线的IP核来实现对数据传输的控制,例如数据传输开始与停止、握手方式、数据包的大小等等。
3.5 千兆三态以太网硬核的配置
三态以太网TEMAC (Tri-Mode Ethernet Media Access Controller)是嵌在FPGA内部的硬核。本论文通过LocalLink总线使其连在内存控制器MPMC上,采用SDMA方式,使得数据直接从内存到网络接口而不必经过PowerPC的搬运, 这样在很大程度上减轻了CPU的负担,提高了数据传输速度。
4 板级支持包的生成
4.1板级支持包工具的选择和设置
先在
http://git.xilinx.com/
网站上
下载
device-tree.git,它是板级支持包(BSP)生成工具。解压后放在EDK安装目录下的EDKswlibbsp,之后点击Software-->
Software Platform Settings就可以发现并选择它了,如图5所示。
图5 板级支持包工具的选择
在device-tree下要把 bootargs的设置成console=ttyUL0,而不是默认的console =ttyS0,否则超级终端将没有输出。这是因为我们在调试时需要RS232串口作为超级终端,用的是XPS UART Lite核,但板级支持包默认的却是UART16500核。
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