基于嵌入式Linux和FPGA的千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

引言

中國散裂中子源實(shí)驗(yàn)的簡圖如圖1所示，其原理是把中子束打在被測樣品(例如新藥品或機(jī)翼材料)上，探測被反射的中子位置就能計(jì)算出樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，其特點(diǎn)如下： A/D采集通道多，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)帶寬高，且需要把現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。因此，要求數(shù)據(jù)傳輸模塊既要成本低、微型化、具備網(wǎng)絡(luò)功能，也要數(shù)據(jù)帶寬高。

圖1 中國散裂中子源實(shí)驗(yàn)簡圖

單片機(jī)或ARM具有微型化、低成本的特點(diǎn)，但數(shù)據(jù)帶寬和靈活性不滿足本項(xiàng)目;工控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，有網(wǎng)絡(luò)接口，但是體積過大，成本高;傳統(tǒng)高能物理實(shí)驗(yàn)采用的VME系統(tǒng)也因體積大、數(shù)據(jù)帶寬有限而不適合用在中國散裂中子源實(shí)驗(yàn)上。

FPGA有很高的性能，而且內(nèi)部還集成PowerPC處理器、千兆網(wǎng)MAC等硬核資源，這使得在一塊FPGA上就能構(gòu)建一個(gè)完整的片上系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)體積可以做的很小。在FPGA片內(nèi)PowerPC硬核上移植嵌入式linux操作系統(tǒng)，用軟件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議可以解決用FPGA硬件描述語言實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議難度大的問題。FPGA的高性能、高可靠性和Linux的靈活性完美結(jié)合在一個(gè)片內(nèi)，能較好地滿足本項(xiàng)目的需求。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成及層次

本系統(tǒng)可以分為5個(gè)層次，如圖2所示，

最低層為外圍電路硬件層，每一層都是建立在其下一層之上。

2 系統(tǒng)外圍電路的簡介

本文在硬件上采用了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的電路板，用的是帶PowerPC的xilinx Virtex4 FPGA，電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的硬件模塊框圖

3 SOPC的構(gòu)建

SOPC (System on a Programmable Chip) 即可編程片上系統(tǒng)，把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

3.1 開發(fā)工具

Xilinx 公司提供了FPGA開發(fā)工具EDK(Embedded Development Kit),它帶有大量可配置可定制的IP核，可以大大提高設(shè)計(jì)的效率，使設(shè)計(jì)者把主要精力放在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)上，能很方便的對(duì)FPGA進(jìn)行模塊化的重構(gòu)和裁剪，提高設(shè)計(jì)的靈活性，減少了外圍器件，符合SOPC的思想。

3.2 SOPC的總體構(gòu)成

SOPC系統(tǒng)構(gòu)建完成后的框圖如圖4所示，其中PowerPC405是已經(jīng)固化在FPGA內(nèi)部的硬核，工作頻率設(shè)為300MHz，配置時(shí)要選擇cache選項(xiàng)，否則運(yùn)行嵌入式Linux會(huì)很慢。PowerPC405通過PLB(Process Local Bus)總線核和各個(gè)IP模塊互聯(lián)構(gòu)建了一個(gè)完整的SOPC系統(tǒng)。

圖4 FPGA內(nèi)部各個(gè)IP模塊框圖