（电路与系统专业论文）数字视频监视器的千兆以太网显示接口研究与开发.pdf

华南师范大学硕士学位论文摘要 该设计利用a l t e r a 的s o p c 解决方案，采用软件和硬件设计相结合 的方式，将繁琐耗时的运算过程由设计好的硬件模块来处理，而软件负 责统筹管理各硬件模块。系统的模块主要集成在一片f p g a 上，可以快 速稳定地构建干兆以太网系统。外围电路结构简洁，提高了系统的集成 度与稳定性。系统的主要的模块包括有n i o si i 软核处理器、千兆网m a c 模块、干兆网物理层芯片以及自定义的l c d 控制器。在数字远程视频信 号传输上，该设计充分利用了千兆网的特性，对比其它使用s d i 接口传 输数字视频的方法，它具有高速率、低成本以及分组传输数据的优势。 关键字：千兆网、视频显示接1 ：3 、s o p c 、n i o s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g y , d i g i t a ls y s t e mi s a d o p t e db ya l lk i n d so fv i d e od e v i c ei n s t e a do fa n a l o gs y s t e m t h ed i g i t a l s y s t e mh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g ei nd a t at r a n s m i s s i o n ，f o ri t s m a s s i v e t r a n s f e rr a t e ，l o w e rd i s t o r t i o na n dh i g h e rs t a b i l i t y a n a l o gv g ai n t e r f a c ei s b e i n gr e p l a c e db yd i g i t a ld v ii n t e r f a c ei nc o m p u t e rf i e l d a n da l lk i n d so f d i g i t a li n t e r f a c ec o m ei n t ou s e i nt e l e v i s i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，s u c ha s s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e ( s d i ) a n da s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ( a s i ) s of a r ，t h em o n i t o rd e v i c eu s e di nm o n i t o r i n gf i e l di sm o s t l yu s i n gs d i i n t e r f a c et ot r a n s f e rs i g n a l u s i n gs d ii n t e r f a c e ，as t a n d a r d d e f i n i t i o no r e v e nh i g hd e f i n i t i o ni t u 一6 5 6s i g n a lc a nb et r a n s f e rt h r o u g hac a b l e b u t s d ii sn o tp e r f e c t c o m p r e s sv i d e os i g n a lc a nn o tb et r a n s f e rw i t hs d i i n t e r f a c e e v e r ys i g n a lc h a n n e lr e q u i r e si t so w ns t a n d a l o n gc a b l ew h i c h c a u s i n gh i g h e rc o s to ft h es y s t e m i nc o n n e c t i n gw i t hac o m p u t e r ，i ta l s o r e q u i r e sap a r t i c u l a ra d a p t e rc a r d g i g a b i te t h e r n e th a sb e e nw i d e l yu s e di ns e r v e ra n db a c k b o n en e t w o r k w i t h10 0 0 b a s e ts t a n d a r db e i n gi n t r o d u c e d ，c a t - 5t w i s t e d p a i ri sa b l et o b eu s e di nt h eg i g a b i te t h e r n e t ，w h i c hb r i n g st h ec a p a b i l i t yo fg i g a b i t e t h e r n e tt oah i g h e rl e v e l g i g a b i te t h e r n e tc o m ei n t ou s ei nal o to ff i e l d s l i k ei n d u s t r i a lv i e wc a m e r a ( i v c ) t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n to fav i d e om o n i t o r d i s p l a y i n t e r f a c eb a s e do ns o p ca n d g i g a b i t e t h e r n e t t e c h n o l o g y i i i 华南师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o n g - d i s t a n c ev i d e os i g n a lc a nb e r e c e i v e da n dd i s p l a y e do nt h ev i d e o m o n i t o rb yu s i n gt h i sd i s p l a yi n t e r f a c e i no r d e rt oc o n s t r u c tg i g a b i t e t h e r n e ts y s t e mq u i c k l ya n di m p r o v et h ei n t e g r a t i o na n ds t a b i l i t yl e v e l ，w e u s ea l t e r as o p cs o l u t i o na n di n t e g r a t et h em a i nm o d u l e so nas i n g l ep i e c e o ff p g ad e v i c e t h em a i nm o d u l e so ft h e s y s t e mi n c l u d en i o s l ic p u ， g i g a b i te t h e r n e tm a c ，g i g a b i te t h e r n e tt r a n s c e i v e ra n dl c dc o n t r o l l e r t h ei n t e r f a c em a k e sf u l lu s eo ft h eg i g a b i te t h e r n e tt e c h n o l o g yi nt h e t r a n s m i s s i o no fv i d e os i g n a l c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ls d ii n t e r f a c e ，i t h a st h ea d v a n t a g eo fh i g hd a t ar a t e ，l o wc o s ta n dp a c k e td a t a k e y w o r d s ：g i g b i te t h e r n e t ，v i d e od i s p l a yi n t e r f a c e ，s o p c 华南师范大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a bs tra c t iii 目录v 第一章绪论1 1 1 视频监视器概述1 1 2 课题背景和选题意义2 1 3 本课题的主要工作4 第二章千兆以太网5 2 1 千兆以太网技术介绍5 2 1 1 千兆网的结构体系5 2 1 2 干兆网的应用种类6 2 1 3 千兆网的性能特点1 0 2 2 千兆以太网在视频领域的应用1o 2 3ait era 的千兆以太网解决方案12 2 3 1t r i p l es p e e de t h e r n e ti p 核支持1 2 2 3 2a l t e r af p g a 的千兆以太网实现1 3 第三章总体方案与硬件电路15 3 1 总体设计要求15 3 2 设计方案15 3 2 1 具体工作流程1 6 v 华南师范大学硕士学位论文 目录 3 2 2 开发平台简介1 7 3 3 系统硬件组成19 3 4 主要硬件电路1 9 3 4 1 千兆以太网硬件电路一19 3 4 2 存储器硬件电路2 1 3 4 3l c d 面板接口电路2 5 第四章s o p c 系统构建2 7 4 1 千兆以太网子系统的构建2 8 4 1 1 千兆以太网m a c 模块构建2 8 4 1 2 帧发送s g d m a 模块构建一3 0 4 1 3 帧接收自定义d m a 模块设计3 2 4 1 4 千兆网子系统的s o p cb u i l d e r 配置与连接3 8 4 2 显示子系统的构建4 1 4 2 1 显示s g d m a 模块构建4 l 4 2 2t f t - l c d 控制器模块设计4 2 4 2 3 显示子系统的s o p cb u i l d e r 配置与连接4 5 第五章软件设计4 6 5 1nio si l 处理器软件程序设计4 6 5 1 1 千兆以太网初始化4 6 5 1 2s g d m ai p 核配置流程4 7 5 1 3 显示模块初始化4 8 5 2 网络数据发送软件程序设计4 9 v l 华南师范大学硕士学位论文目录 5 2 1w i n p c a p 的使用4 9 5 2 2 视频数据处理及发送一4 9 5 2 3 软件用户界面设计5 0 第六章调试与测试51 第七章结束语5 4 参考文献5 5 附录1 千兆以太网m a c 初始化部分代码5 7 附录2s g - d m a 帧发送部分程序61 附录3 网络发送部分程序6 4 致谢6 6 参加的科研项目和发表的文章6 7 v i i 华南师范大学硕士学位论文第一章绪 论 第一章绪论 1 1 视频监视器概述 视频监视器作为一种重要的应用产品，广泛应用在世界各地的广播 电视、工业生产，道路交通违章，小区安全监视，医疗监护，军事警戒 等领域。同时，各种类型的监视器层出不穷，采用液晶l c d 、等离子等 先进技术的监视器得到了广泛应用。而具备图像鲜艳、明亮、清晰和轻 薄特点的l c d 液晶监视器也逐渐的取代传统的c r t 监视器成为监视器 的主流产品。 目前，国内监视器有相当大的市场，在中高端市场上国外品牌占有 一定市场份额。不过由于技术的日趋成熟，国产监视器也已经在高端市 场占有一席之地。整体来说，国内产品的市场份额占据大约六成，而国 外产品占有四成左右。根据安全& 自动化国际中文版对监视器产品 供应商、用户端所作的2 0 0 8 年中国监视器市场大调查，从各主流厂家所 得到的监视器销售额获得的统计结果显示，2 0 0 8 年中国监视器市场达到 7 亿，按每年1 5 的上升预测2 0 1 0 年的监视器市场规模达到9 亿l l 】。 在国内外市场上，视频图像设备的显示接口标准一直以来都沿着两 条路线发展的。 一条是以计算机终端的显示器为主，采用了并串结合的方式，将数 据及控制信号并行传输，信号传输距离都较短，但传输的数据量比较大。 已从模拟的v g a 接口发展到的数字化的d v i 、h m d i 等接口。d v i 接 口是由数字显示工作组d d w g 推出的接口标准。基于最小化传输差分信 号t m d s 电子协议作为基本电气连接。它的传输速率可高达4 9 g b p s ， 是短距离数字视频传输目前的主流选择【2 1 。 除了上面提到的d v i 和h d m i 接口，如今显示器终端上还出现越来 越多的新型接口：如视频电子标准协会( v e s a ) 发布的d i s p l a y p o r t 显 示接口，将在传输视频信号的同时加入对高清音频信号传输的支持，同 华南师范大学硕士学位论文第一章绪 论 时还支持比d v i 更高的分辨率和刷新率，数据传输速率达到1 0 8 g b p s ， 支持8 位或1 0 位颜色；另外中国电子视像行业协会推出的高清互动接口 ( d i i v a ) ，支持视频带宽达1 3 5 g b p s ，可做双向数据和音频传输，支持 家庭网络从任一信号源传输到任一显示终端的路径。d i i v a 是中国骨干 企业发起主导、具有自主核心知识产权的接口技术，是可以推动彩电行 业竞争实力的新技术。 另一条是以广播电视系统的视频监视器为主，主要考虑长远距离视 频信号的传输，方便各种视频设备之间的连接，采用的主要是串行传输 的方式，经历了由模拟的r c a 、s 端子等的模拟接口到s d i 等数字接口 的发展过程。s d i 接口( s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e ) ，主要应用与广播电视 和监控领域，其标准为s m p t e 2 5 9 m 和e b u t e c h 一3 2 6 7 ，标准包括了含 数字音频在内的数字复合和数字分量信号。在传送前，对原始数据流进 行扰频，并变换为n r z i 码确保在接收端可靠地恢复原始数据。s d i 接 口能传输2 7 0 m b p s 的串行数字分量信号，使用同步网络技术，不会因路 径不同而出现延时，但s d i 接口不能直接传送压缩数字信号3 】【4 1 。 而目前的专业监视器为了满足市场的不同用户需求，都会配备各类 的模拟接口和数字接口。但随着数字技术的日益成熟，数字接口凭借其 传输稳定，清晰，传输距离远的优势已经开始逐步取代模拟接口而获得 ， 广泛的应用。虽然监视器会配备各类的模拟接口，但真正在使用上主要 还是会以数字接口为主。 1 2 课题背景和选题意义 在许多监视器的应用领域，如安防监控、演播厅等，都需要系统能 将视频数据长距离传输到远端的特定监视器，并且许多还要求传输非压 缩视频数据，以保证监控图像的最佳质量。由于传输的视频数据量大， 传输的距离远，因此对于传输系统的带宽有很高的要求，只有采用数字 信号传输方式才能满足以上要求。目前的监视器设备主要是通过上面介 绍的s d i 接口来完成传输，利用视频同轴电缆在设备之间传输i t u 6 5 6 串行数字信号，可以保证一路标清甚至是高清电视信号的传输【5 1 。 但使用s d i 接1 3 也有其缺点，s d i 接口无法直接传输压缩视频信号， 2 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 而且由于传输的内容是非分组数据，每路信号需要配备一条独立的同轴 电缆，布线成本较高。随着计算机的广泛使用，监视器应用领域大多与 计算机相结合。传统的监视器如何与计算机进行高效的连接，目前并没 有统一的模式。有的使用s d i 转换卡，有的采用在监视器上接装 v g a d v i 接口的方式以适应这种需求。 随着网络技术的发展和技术成本的降低，千兆网开始得到广泛应用， 其作用范畴开始超越原有的网络主干网领域。它具备的高带宽以及网络 兼容性使其在数字视频传输系统领域上也受到了广泛的关注。如今在高 分辨率高帧率工业摄像机中，千兆网接口作为高速视频接口已经得到广 泛的应用1 6 。而在视频监控领域，千兆网也有发展成为压缩视频传输的 主干网的趋势，例如应用在地铁等公共交通领域【7 】。但在传统监控领域， 尤其是在非压缩视频方面，视频信号的传输依然还是以s d i 接口为主。 由于s d i 接口的存在的一些缺点，使得部分监视器生产厂家提议使用千 兆网代替同轴电缆来传输视频信号。 因此针对以上问题，本文提出了一种可以接收远程数字非压缩视频 信号的系统设计方案，数据的传输采用千兆网网络来传输。对比s d i 接 口设备，它可以具有以下的特点。 1 使用灵活。应用千兆网可以使数据传输网络化，益于系统日后的 维护管理。千兆网的不断发展使得它的需求不断扩展，它的便捷性也使 得采用千兆网代替同轴电缆来传输视频信号的需求越来越大。顺应市场 的趋势，设计出直接整合千兆网的设备也是势在必行。 2 价格优势。千兆网的传输介质可以使用五类双绞线，而s d i 需要 采用同轴电缆，缆线的成本就比较高，而且对比千兆网交换机，s d i 的 数字切换器的价格也不低。 3 计算机的可扩展能力。本课题的研究目的是以数字视频监视器作 为突破口，完成一套基于千兆网接口的数字视频监视器的产业化产品和 标准，使监控、广电领域广泛使用的监视器能与计算机实现无缝连接。 千兆网将成为计算机的标准配置，采用干兆网代替s d i 接口，避免了接 口格式的来回转换，可大大简化系统的配置，提高系统的性能。由于目 3 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 前市场上并没有带有千兆网接口的视频监视器，本论文所完成的“数字 视频监视器千兆网接口 可以为相关产业带来可观的社会和经济效益。 1 3 本课题的主要工作 本课题主要需要完成视频监视器的千兆网显示接口方案的设计以及 系统的实现，在该系统的支持下可以完成一路标清数字电视视频信号远 程传输。同时该系统需要具备可扩展性，能够较容易兼容还原原i t u 6 5 6 视频信号，或者完成压缩视频信号的传输。系统的主要核心采用了a l t e r a 的f p g a 芯片，主要工作内容包括以下部分： 1 显示接口的硬件电路设计。硬件电路是系统实现的基础，千兆网 显示接口的硬件部分包括了f p g a 与千兆网物理层芯片8 8 e 1 1 1 1 的结合； 以及f p g a 与存储芯片s d r a m 和f l a s h 的连接；以及f p g a 与l c d 液晶面板的连接。 2 f p g a 的各硬件模块的设计。该部分是系统的重要组成部分，也 是课题工作中的重点内容。f p g a 接收到千兆网物理层芯片的数据之后， 需要通过众多模块的配合最后完成显示数据的发送显示。这部分主要包 括有以下几个主要模块：千兆网m a ci p 核、n i o si i 处理器i p 核、存 储器d m a 模块、存储器控制器模块、l c d 液晶显示启动模块以及显示 存储器d m a 模块。该部分内容在论文的第四章做了详细介绍。 3 软件程序的设计。软件作为系统必不可少的部分，负责控制各部 分模块的正确运行，同时也是简化系统设计，增强系统的灵活性的有效 方法。该系统包括的软件程序有：n i o si i 软核处理器程序，负责完成 系统众多模块的初始化配置：以及上位机软件程序，负责模拟视频数据 发送，用户界面的设计制作等。该部分内容包含在了论文的第五章中。 4 调试与运行的结果分析。最后是对系统进行调试，分析调试运行 数据，总结结果，分析所做的工作，并展望发展前景。 4 华南师范大学硕士学位论文 第二章千兆以太网 第二章千兆以太网 2 1 千兆以太网技术介绍 以太网技术是广泛应用的网络技术，千兆以太网是建立在以太网标 准技术基础上的技术。千兆网原先是作为一种交换技术而设计的，用于 楼宇之间的主干网连接，之后成功应用在服务器的连接和骨干网中。特 别是i e e e 8 0 2 3 a b ( 10 0 0 b a s e d t ) 千兆网标准的出台，将五类非屏蔽双 绞线应用在千兆网中，使得网络性能在原有布线基础上获得大幅度的提 高【8 1 。 如今，千兆网已经发展成为主流的网络技术。无论是大型企业还是 中小型企业，在在建设企业局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的 高速网络技术。千兆以太网技术甚至正在取代a t m 技术，成为城域网 建设的主力军【9 1 。 2 1 1 千兆网的结构体系 由于千兆以太网源于以太网技术，因此它兼容了目前大量使用的以 太网快速以太网标准所规定的的全部技术规范，其中包括c s m a c d 协 议、以太网帧、全双工、流量控制以及以及i e e e8 0 2 3 标准中所定义的 管理对象等1 1 们。 千兆以太网规范中的技术包括了o s i 模型中最下面的两层，分别是： 1 数据链路层，控制对物理传输媒体的访问。 2 物理层，控制在物理媒体上的实际传输。 由图2 1 可以看出其对应的关系。在千兆网的标准化结构中包含了介 质访问控制( m a c ) 、物理编解码( p c s ) 和物理介质接入( p m a ) 三 个主要部分。其中m a c 子层能实现o s i 模型中的数据链路层的工作， 完成帧的发送和接收，而p c s 层、p m a 层、以及物理介质相关子层( p m d ) 的组合，共同来完成模型当中的物理层功能，主要实现了数据在物理线 路上串并并串转换。 5 华南师范大学硕士学位论文第二章千兆以太网 上层应用 p o $ p _ a 图2 - 1 干兆以太网标准结构 千兆网的以太网介质访问控制( m a c ) 子层实现了数据链路层的功 能。m a c 子层将上层通信发送的数据封装到以太网的帧结构中，并决定 数据的安排、发送和接收方式。千兆以太网的m a c 与以太网快速以太 网的m a c 相同，这样可以保证以太网快速以太网和千兆位以太网帧结 构之间的向后兼容性，增强千兆以太网的应用范围。 物理层定义了数据传输和接收的电气信号、链路状态、时钟要求、 数据编码和电路系统。为了实现这些功能，定义了如下几个子层：物理 编码子层( p c s ) ，将m a c 层所发送的数据进行编解码，使其可适于在 物理介质上进行传送；物理介质附加子层( p m a ) ，发送和接收物理线 路上的信号；以及物理介质相关子层( p m d ) ，提供与各类线缆的物理 连接。 m a c 层通过千兆介质无关接口( g m i i ) 发送或接收数据帧，与物理 编码子层( p c s ) 通信。通常来说，会采用专用的物理层芯片来实现m a c 层以下的p c s 层与p m a 层，因此g m i i 接口基本上都是芯片之间相互 通信的接口。由于各家生产厂商自行设计实现m a c 功能的逻辑电路其 通信协议统一，保证了m a c 层与各类不同厂家不同型号芯片之间的连 接。 2 1 2 千兆网的应用种类 千兆以太网的逐渐盛行一定程度上是因为它可应用的种类较多，可 以满足不同场合的的需求，同时保证千兆位的高速率。i e e e8 0 2 z 特别 6 华南师范大学硕士学位论文 第二章千兆以太网 工作组首先为千兆以太网定义了在光纤和同轴电缆物理介质上的实现方 案，使得千兆以太网迅速成为网络布局中的主干网。接着i e e e8 0 2 3 a b 委员会致力于在五类非屏蔽双绞线上传输的千兆以太网物理层设计上， 使得千兆以太网的应用范围大大扩展，进一步促进了千兆以太网的发展。 干兆以太网的种类如图2 2 所示。 图2 2 千兆以太网种类 2 1 2 1i e e e8 0 2 3 z 协议。 i e e e8 0 2 3 z 千兆以太网标准于1 9 9 8 年6 月获得批准，它主要为三种 传输介质定义了实现方案，它们分别是：10 0 0 b a s e l x 用于单模光纤、 1 0 0 0 b a s e s x 用于多模光纤和1 0 0 0 b a s e c x 用于平衡屏蔽铜缆。它们 的工作方式都比较统一，数据发送的过程首先由数据帧经m a c 层通过 g m i i 接口之后，进入物理编码子层( p c s ) 进行8 b 1 0 b 编码，每8 比 特的数据被重新编码成为1 0 比特的码组。这样做的目的在于可以使数据 更适合在物理介质上传输，并且更容易降低误码率。经过编码的数据接 着进入到物理介质附加子层( p m a ) ，由该层生成发送到线路上的信号， 最后通过实际的物理介质相关子层( p m d ) ，即上面介绍的三种规范， 由电缆发送到接收方。数据接收的过程则与数据发送过程相反。 千兆以太网在光纤介质上可以使用1 0 0 0 b a s e s x ( 多模光纤) 和 1 0 0 0 b a s e l x ( 单模光纤) 两种收发器。多模光纤有分6 2 5 u m 和5 0 u r n 两种线芯直径。6 2 5 u m 的光纤目前广泛应用在大学校园和建筑楼宇中的 垂直布线系统，以及以太网快速以太网和f d d i 骨干网中。但是这种类 型的光纤只有较窄的模带宽，即光纤输出能力较弱。在使用短波激光进 行传输的最大距离只有2 5 0 米。而5 0 u m 的光纤则具有很好的模带宽特 7， 日日 华南师范大学硕士学位论文第二章干兆以太网 性，由它传输短波激光的距离要比在6 2 5 u r n 的光纤上长得多，可以达 到5 2 5 米。单模光纤比较常用在较长距离的网络布线系统中。由于单模 光纤在所有光纤传输介质中的信号衰减最小，传输距离最长，在干兆以 太网中，使用仅1 0 u m 的线芯和1 3 0 0 n m 波长的单模光纤最大传输距离可 达到5 公里【1 1 】。 i e e e8 0 2 3 z 工作组在协议制定的初期整合了i e e e8 0 2 3 以太网规范 和a n s i x 3 ti i 光纤通道规范，允许光纤在千兆以太网中以全双工的形 式传输1 2 5 g b p s 的信令。由于经过了8 b 10 b 编码，数据带有2 5 的冗 余信息，8 0 2 3 z 的实际传输速率达到1 g b p s ，恰好实现千兆位传输。i e e e 8 0 2 3 z 千兆以太网的部分技术标准如下表所示。 表2 1 千兆网技术标准 标准名称光波长传输介质传输距离备注 多模光纤 10 0 0 b a s e s x8 5 0 n m2 6 0 1 5 5 0 m8 0 2 3 z 6 2 5 u m 5 0 u m l0 0 0 b a s e l x1 5 5 0 n m单模光纤1 0 u m7 0 k m8 0 2 3 z 10 0 0 b a s e c x 屏蔽铜轴电缆 2 5 m8 0 2 3 z 10 0 0 b a s e t 标准5 类双绞线 1 0 0 m8 0 2 3 a b 2 1 2 2i e e e8 0 2 3 a b 协议 如今，以太网快速以太网已经被广泛应用在企业等单位的局域网布 局当中，其中大量应用到了双绞线作为布线互联的基础建设。为了保证 在以太网快速以太网设施中的已有投资，提供一种廉价的性能提升的方 法，另一个特别工作组i e e e8 0 2 3 a b 定义了在5 类非屏蔽双绞线基础上 运行的干兆以太网物理层。i e e e 标准委员会在1 9 9 9 年6 月批准了千兆 以太网1 0 0 0 b a s e t 标准【12 1 。 在使用五类双绞线的快速以太网1 0 0 b a s e t x 中，4 对双绞线中只利 用了2 对来传输数据，分别是橙白橙和绿白绿，对应r j 4 5 连接器中的 1 2 和3 6 脚。连接示意图如图2 3 所示。快速以太网传输的时钟频率为 1 2 5 m h z 。由于1 0 0 b a s e t 采用了4 b 5 b 编码算法，信号在放到线缆上 8 华南师范大学硕士学位论文 第二章千兆以太网 传输前，每4 比特数据被转换成5 比特数据，在扣除了2 5 的冗余数据 之后，实际的数据传输速率正好是1 0 0 m b p s ，所以我们也称其为百兆以 太网。 橙黄 橙 绿白 苴 蓝白 缘 棕白 椽 y j ，l 、仁 、r 久 、r 橙黄 墨 绿白 董 董白 象 棕白 撺 图2 3 千兆以太网双绞线连接示意 但在千兆以太网中，为了能兼容五类非屏蔽双绞线，并且在线上的 传输速率达到1 g b p s ，1 0 0 0 b a s e t 标准规定在4 对双绞线上同时传送 数据，并且每对的传输速率为2 5 0 m b p s ，从而总传输速率达到1 g b p s 。 1 0 0 0 b a s e t 采用与1 0 0 b a s e t x 相同的传输时钟频率1 2 5 m h z ，但为 了达到高速率、全双工的工作方式，它利用了一种更强大的信号传输和 编码方案，该方案可以实现在链路上比1 0 0 b a s e t x 多传输一倍的数据， 并且发送和接收可共用同一条链路【1 2 】。 要实现1 g b p s 的传输速率，在1 2 5 m h z 的时钟频率下，每秒需要在 线对上发送8 b i t 的数据。这8 b i t 的数据由m a c 子层通过g m i i 接口传 送到p c s 子层实现编码，需要总共2 8 = 2 5 6 种码字。如果在双绞线4 对 线对上采用标准的双电信号，则只能传输2 4 = 16 种码字。若提高电平能 力采用三电平信号，则可以实现3 4 = 8 1 中编码。因此要容纳2 5 6 中码字 的同时实现全双工通信，至少需要5 电平信号，即5 4 = 6 2 5 种编码才能 完成。因此1 0 0 0 b a s e t 标准的物理层p c s 和p m a 模块与光纤和铜缆 千兆网不同，在双绞线4 对线对上采用了p a m 5 ( 5 级脉冲放大调制) 编码。 由于1 0 0 0 b a s e t 还需要工作在全双工模式下，但其4 对双绞线又需 要同时参与工作，所以信号在在双向传输的时候，会在同一对双绞线上 的两个方向上同时进行，两个收发器占据同一对双绞线。而10 0 b a s e t x 以太网在传输的时候都是单向的，即信号在一对双绞线上沿一个方向进 9 华南师范大学硕士学位论文第二章千兆以太网 行传输。因此1 0 0 0 b a s e t 新增加了回程损耗和远端串扰线缆性能参数。 在一对双绞线上传送双向数据是通过一种“混合电路 设备实现的，它 能将本地发送的信号和接收信号区分开来。由于无法完全隔离发送和接 收电路，任何发送和接收都会对设备产生回波，因此10 0 0 b a s e t 必须 使用回波抵消器，达到信号要求的低误码比特率( b e r ) 【1 1 1 。 2 1 3 千兆网的性能特点 正是由于千兆以太网性能上的优点使得它得到迅速的发展，下面总 结了千兆网的性能特性： 1 千兆网完美的兼容性。千兆以太网的向后兼容性使其成为一种价 格低廉，不易破坏，性能高效的技术。非屏蔽五类双绞线是现今最主要 的水平线缆传输介质，千兆以太网可以保护公司企业在现有网络基础设 施上的投资，使其成为以太网快速以太网络向高速网络的移植的一种简 单、廉价的方案。千兆以太网还保留i e e e8 0 2 3 以太网帧格式以及受管 理的对象规格，从而使企业网络在能够在升级至千兆性能的同时，保留 现有的操作系统协议、桌面应用程序和网络管理工具上的投资。 2 突出的性价比。千兆以太网是现有的性能价格比最佳的高速网络 技术。它每传送1 0 0 亿比特，其中错误的数据位不会超过一个。于兆以 太网相对于原有的快速以太网、f d d i 、a t m 等主干网解决方案，提供 了一条最佳的路径。至少在目前看来，是改善交换机与交换机之间骨干 连接和交换机与服务器之间连接的可靠、经济的途径。 3 可应用范围广。由于千兆网种类多，可以适应不同需求上的应用。 它可以在楼层内、楼内和园区内的网络上采用，因为它可以支持多种连 接媒体和大范围的连接距离。i e e e 标准支持最大距离为5 5 0 米的多模光 纤、最大距离为7 0 千米的单模光纤和最大距离为10 0 米的铜轴电缆。千 兆以太网还填补了i e e e8 0 2 3 以太网快速以太网标准的不足。 2 2 千兆以太网在视频领域的应用 千兆以太网由于技术的灵活性，优异传输速率使其在网络的主干域 网占有一席之地。而由于1 0 0 0 b a s e t 标准的出台，更使得千兆以太网 1 0 华南师范大学硕士学位论文第二章千兆以太网 可以应用在很多新兴的对带宽又有大量需求的领路。这样的应用包括有： 公司内部网( i n t r a n e t ) 的应用，运行用户从企业网中的各个位置发起海 量数据的连接；数据库备份的应用，完成成千上万个服务器和存储系统 的要求：视频传输领域的应用，对带宽有大量需求同时对延时又十分敏 感的领域，譬如桌面视频会议，监控视频，机器视觉领域。 其中千兆网在视频传输领域的应用发展尤为迅速。随着多媒体图像， 视频的迅速发展，人们对视频信号的质量要求越来越高，百兆网在该的 速度瓶颈已经限制了其在视频传输方面的应用。千兆网的崛起正好弥补 了百兆网的缺陷。其中具有代表性的应用领域就是机器视觉中的高分辩 率工业相机应用。g i g ev i s i o n 标准是第一个基于千兆以太网通信协议开 发的工业摄像机接口标准，在在工业机器视觉产品的应用中，g i g ev i s i o n 允许用户在很长距离上用廉价的标准线缆进行快速图像传输。它还能在 不同厂商的软、硬件之间轻松实现互操作。这种接口的摄像机不需要图 像采集卡，只利用计算机的千兆网卡就能采集数据，而且千兆以太网的 线长可达1 0 0 米，因此使用十分灵活【l ”。 箩： 。、7 4 7 。一 ”秀 j 囔 图2 - 4g i g ev i s i o n 工业摄像机 国外在这方面的应用较为成熟，如加拿大p r o s i l i e a 公司开发的g i g e v i s i o n 接口摄像机，能够在1 0 0 米范围内通过5 e 类增强型双绞线保持 1 2 4 mb y t e s 每秒的数据传输速率。除了p r o s i l i e a 自己的s d k 开发包之 外，业界权威如m a t r o xi m a g i n g 和n a t i o n a li n s t r u m e n t s 的第三方软件也 可以直接支持p r o s i l i e a 公司的干兆网摄像机。德国i d s 公司生产的u e y e 华南师范大学硕士学位论文 第二章千兆以太网 系列千兆网接口工业摄像机分别率可以从3 0 万像素v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) 到 3 1 0 万像素q x g a ( 2 0 4 8 x 1 5 3 6 ) ，全帧模式下帧率高达7 5 帧秒。意大 利t a t t i l e 公司生产的千兆网工业相机，涵盖3 0 2 0 0 万像素，1 k 至8 k 线扫描系列，全帧快门。其中更创新性地内置d s p 处理器，内置各种 可自定义的滤波器，实时对图像进行预处理，不影响图像采集帧率，灵 活性极高。 国内也有不少厂家也开发了同类的产品。北京微视新纪元自主研发 的m v c l 4 5 0 d a g e l 5 、m v c 2 9 0 0 d a g e l 5 、m v c 2 0 1 0 d a g e l 2 三款千 兆网相机，主要应用于交通领域，可以在连续模式下精确同步闪光灯。 这三款千兆网相机都可应用在机器视觉，工业检测，运动物体抓拍分析， 医疗影像，显微镜观测等需要高分辨率彩色、黑白图像的场合。中国大 恒公司开发的1 4 0 万像素和2 0 0 万像素的千兆网摄像机d h s v l 4 1 0 g x 和d h s v 2 0 0 0 g x ，也采用了g i g e 接口，安装使用方便，同时1 g b p s 的 传输速率可以满足绝大多数应用中对传输速率的要求。 2 3a l t e r a 的千兆以太网解决方案 考虑到能最大程度的增加系统的灵活性，增强将来对系统的升级能 力，本课题在系统核心器件的选择上选取了a l t e r a 公司的f p g a 逻辑器 件。为了能将千兆以太网应用在f p g a 上，a l t e r a 公司提供了可参数化 千兆以太网m e g a e o r ei p 核的解决方案，该方案能应用在a l t e r a 的 a r r i a g x 、c y c l o n e l i 、c y e l o n e i i i 等系列的f p g a 上【1 们。 2 3 1 t r i p l es p e e de t h e r n e ti p 核支持 三速以太网( t r i p l es p e e de t h e r n e t ) i p 核是a l t e r a 公司提供的f p g a 千兆以太网i p 核。可以配置其实现m a c 、p c s 、p m a 模块中的一种或 者多种，用于实现千兆以太网应用，例如实现千兆网卡、千兆网交换机 等。它的功能包括有： 1 全面支持i e e e8 0 2 3 以太网标准。 2 支持1 0 1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b p s 网络自适应和半双工全双工工作 模式。 1 2 华南师范大学硕士学位论文第二章千兆以太网 3 集成特定报文监测功能( w a k e o i ll a n ) 。 4 支持多通道m a c ，最多能支持2 4 端口。 完整的三速以太网i p 核包含了如图2 5 所示的几个主要模块：m a c 、 p c s 和p m a 。所有模块都工作在同步模式下，存储器映射寄存器接口控 制m a c 和p c s 模块，外括的i o 信号提供了i p 核额外的控制和状态信 息，例如网络指示灯等【1 4 】。 - 呻 l 簟霹i 广备0 毫 1 3 a 臼p 翻t r l o n n 嘲 u nj o b 五0 e ，馨 传 p 矗 e t l u n n e tm a c g _ 朋 s g 越拜p e s j 一 船：拥掘n a 。e 罐a 遵 e n e 心j 一 图2 - 5a l t e r a 三速以太网i p 核功能结构 2 3 2a l t e r af p g a 的千兆以太网实现 由前文中的2 1 节可以知道，千兆以太网包含有i e e e8 0 2 3 z 和i e e e 8 0 2 3 a b 两种标准，两种标准有所差别。在三速以太网i p 核的支持下， f p g a 可以实现这两种千兆以太网标准。i p 核的模块是可配置的，在实 现8 0 2 3 z 光纤铜缆千兆网的时候，需要使用i p 核的全部三大模块： m a c 、p c s 和p m a 。由于双绞线千兆网的p c s 和p m a 层与光纤铜缆 千兆网不同，因此需要外接额外的双绞线千兆网物理层芯片，同时将i p 核配置为独立m a c 模式。配置的内容包括主模块的选择、m a c 功能配 置、f i f o 存储器容量以及相关接口功能的配置。 2 3 2 1 光纤铜缆千兆以太网的实现。 当系统要工作再1 0 0 0 b a s e x 标准的于兆以太网环境下时，可以为 三速以太网i p 核添加1 0 0 0 b a s e xp c s 和p m a 模块，此时就可以直接 连接芯片外的千兆网接口转换器( g b i c ) 、光纤模块( s f p ) 或者铜缆模 块来实现光纤铜缆千兆以太网。图2 6 展示了在f p g a 上的光纤铜缆千 兆网的实现方式。 1 3 图2 - 6a l t e r a 千兆以太网三速i p 核物理结构 2 3 2 2 双绞线千兆以太网的实现。 当系统需要工作在1 0 0 0 b