基于FPGA的以太网物理层信号处理器的研究.pdf

第 2 8卷第 4期 2 0 0 5年 1 2月 电 子器件 Ch i n e s e J o u r n a l o f El e c t r o n De v i c e s Vo 1 2 8 No 4 De c 2 00 5 Re s e a r c h o n Et h e r ne t Ph y s i c a l La y e r Pr o c e s s o r Ba s e d o n FPGA W ANG K u n FEN G Do n g q i n I n s t i t u t e o fAd v a n c e d Pr e s s C o n t r o l Z h e j i a n g Un i v e r s i t y Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 C h i n a Abs t r a c t I n o r de r t o t a k e t he a dv a nt a ge of FPGA TECH t o r e a l i z e t he f u n c t i on s of hu b c o nt r o l l e r c hi p a nd De c o d e En c o d e e h i p t h i s p r o c e s s o r a d o p t s t o p d o wn d e s i g n f l o w t o a c t u a l i z e En c o d e De c o d e me c h a n i s m f or M a nc he s t e r Co de And f o r t he f i r s t t i m e FPGA i s u s e d t O de a l wi t h a na l og s i g n a l s t r a n s f e r r e d on t he Et h e r n e t wi t h t h e h e l p o f a d i f f e r e n t i a l c i r c u i t Fu r t h e r mo r e i t r e a l i z e s s o me f u n c t i o n s o f DLL Da t a Li n k La y e r s u c h a s CRC一 3 2 me c h a n i s m Th i s r e s e a r c h wi d e n s t h e a p p l i c a t i o n o f FP GA i n t h e f i e l d o f d a t a s i gn a l p r oc e s s i n g a n d i t c o nt r i b ut e s a va l i d s ol u t i o n t o u ni f y t he PH Y a nd t he DLL da t a pr o c e s s i ng i n FP GA Ke y wo r d s F PGA En c o d e De c o d e me c h a n i s m CRC一 3 2 me c h a n i s m EEACC 6 1 40 基于 F P GA的 以太 网物理层信号处理器的研 究 汪 昆 冯冬 芹 浙江大学 先进控制研究所 杭州 3 1 0 0 2 7 摘 要 为了利用 F P GA灵活实现以太网中继器芯片和编解码芯片的功能 本处理器采用 自上而下的模块化设计思想 实现 了 Ma n c h e s t e r 编码 的编 解码算法 开 创性地将 F P GA应 用在 以太 网物理信 号的处理 上 同时该处理器 还实现 了部分数据 链 路层的功能 例如 C R C一3 2差错校验算法 拓宽 了 F P GA在数字信号处理领域 的应 用 更为 F P GA将 以太 网物理层 和数据链 路层 信号处理 统一 实现 提供 了有效地解决方案 关键词 F P G A 编解码算法 C R C 一 3 2 差错校验算法 中 图分 类号 T P 3 9 3 1 1 文献 标识 码 A 文 章编 号 1 0 0 5 9 4 9 O 2 O O 5 O 4 一 O 8 5 5 一 O 4 传 统 的以太 网物 理层芯 片分 为物 理层 编解码 芯 片 R TL 8 2 0 1 R T L8 2 0 8等 和 集 线 器 控 制 芯 片 DM9 0 8 1 8 3 C 7 9 5等 两者 均采 用 A S I C Ap p l i e a t i o n S p e c i f i c I n t e g r a t e d C i r c u i t 技 术 具 有高 速 高 集成度 单芯片成本低等特点 但是同时存在着成片 后逻辑不能再改动的缺点 对于一些需要经常改动 其内部逻辑的场合 其应用受到了一定 的限制L 1 目 前对 于工 业 以太 网 多种 通讯 协议 同 时并存 但是 大 多数 是基 于 同样 的 1 O M 以太 网 不 同之 处 在 于 上 层协 议 的处理 机制 不 同 而 常用 的处 理模式 是 下层 通讯模块 MC U 微处理器 这样则需 要两块 芯 片E z 3 而 采用 F P GA F i e l d P r o g r a mma b l e Ga t e Ar r a y 进 行 以太 网物 理层 信 号 处 理 可 以对 于解 码 以 后 的数字 信号 进行 进一 步处 理 从 而 只需 一块 芯 片 更重要的在于 F P GA 由于其通用性强 设置灵活的 特点 能够根据要求快速更改内部逻辑设计 对 于设 计适用于各种不同通讯协议 的协议芯片具有 AS I C 方式所不可比拟的优势 本处理器正是利用该特性 开创性地将 F P GA应用在 以太 网物理层信 号的处 理方 面 实现 了 Ma n c h e s t e r编码的编解码算法 在 收稿 日期 2 0 0 5 0 4 2 8 基金项 目 国家 自然科学基金项 目资助 6 0 4 2 1 0 0 2 作者简介 汪 昆 1 9 7 8 一 男 研究生 从 事现场总线方 面的研究 和开发 k e l v i n 2 u h o t ma i l c o rn 维普资讯 8 5 6 电 子 器 件 第 2 8卷 此 基础 上 实现 了 以太 网集 线器 芯 片 和 编解 码 芯 片 的灵 活选择功能 同时尝试进行数据链路层 的信号 处理 功能 实现 了 C R C 一 3 2差 错校 验算 法 为进 一 步 利 用 F P GA 进行 数 据 链 路 层 的 数据 处 理 奠定 了基 础 1 处理器硬件设计框 图 图 1为 处理 器 的硬件 实 现 框 图 其 中包 括 以下 几个 主要 部 件 网络 变压 器 接 收信 号 处 理 电路 晶 振和 核心芯 片 F P GA 臣 I l处 理 器 硬 件 框 图 1 网络变压 器 主要用 来实 现信 号 隔离功 能 和 网络终 端器 功能 2 接 收信号 处理 电路 以太 网信 号是 通过 曼 彻 斯 特编码 方 式 差分 传 输 的 对 于处 理 数字 信 号 的 F P GA 来说 没 有办法 辨识这 种 差分 传输 的信号 而 接收信号处理电路采用一个差分放大 电路 对于信 号进 行整形 同时提 高 了电平 将 曼彻 斯 特差分 信号 转换 成 F P GA 可 以辨识 的数字 信号 输入 3 晶振 该 处 理器采 用 了 8 0 M 的 晶振 作 为 处理器的采样频率 来进行信号的解码和编码工作 4 核 心 芯 片 F P GA 本 处理 器 充分 利用 F P G A 灵 活设 置 高速 处理 数 字信 号 的特 点 对 于 以太 网信 号进行 解 码 和 编码 同时 可 以通 过 硬件 描 述 语 言 对 于信号 的转 发 和存 储 进行 控 制 灵 活 多变 的 实 现 各种功 能 2 处理器软件设计框 图 这 一 部 分 将 着重 介 绍 Ma n c h e s t e r编码 的编 解 码 算法 和 C RC 一 3 2 差 错校 验算 法 的实现 这也 是本 处 理器 的核 心部分 图 2是 F P GA 的 内部 模块 图 我们 采用 了 Ve r i l o g硬 件描 述 语 言对 于 F P GA 进 行设 置 采 用 自顶 而 下 的设 计 方 式 并将 处理 器按 照 功 能设 计 分 为 四 个 模块 主 控 制模 块 解 码模 块 存 储 模 块和 编 码模 块 主控制模块 负责调度 决定对于接收的数据 进行 如何 处 理 同时决定 在何 时进行 数 据的转 发 l 送信 正端 解 l 控制 块 F P G A 接收f J 码 l 囊 l 发 送 信 号 负 端 块r I I 块I 儿 I l 发送信号 丌 l G A接收信号 编 J 缓 存 区 码 发 送 信 号 负 瑞 模 块 F P GA 图 2 FPGA 内 鄙 模 块 图 解 码 模 块 对 于 R J 4 5 口 上 的 数 据 进 行 解 码 将 Ma n c h e s t e r编 码 发 送 的 数 据 按 字 节 解 码 成 NRZ 码 存储 模 块 包 括 两个 5 1 2 B YT E 的 RA M 分 别 存储从解码模块送过来 的数据 支持异步读取 编 码 模 块 收到 主控 制 模块 发 送 数据 的信 号 从 存 储模 块 中按位读取 出待发送 的数据 然后按 照 Ma n c h e s t e r 编码 方式 发送 出去 2 1 编解 码 算法 实现 2 1 1 解码 算 法 以太 网信 号 是 以 Ma n c h e s t e r 编 码 方 式 差 分 发 送 的 而 Ma n c h e s t e r 编码 方式 发送 数据 时是 分 为两 个部分发送的 前半个时段传送信号是该时段传送 比特值 的反 码 后半个 时段传送 的是 该 比特值 本 身 这 种 发送 方 式决 定 了在一 个 时 间段 内 其 中 间点 中 有一 个信号 电平 的变化 正 因为如此 Ma n c h e s t e r 编码 方 式在 发送信 号 的 同时 也 传输 了 同步信 息 可 以使 网络上 的每一 个设 备保 持 同步 I 3 解码 算法 正是 利用 这个 特性 来完成 以太 网信 号 的采 集 以 4 0 M 采样 频 率 为例 查 看 图 3 采 样 和 同步 收到 的 信号 监 测 到 跳 变沿 后 开 始 计 数 计 数是 为 了保 证 芯 片 只采 集 在 一个 位 时 段 的 中间点 的 电平 跳 变 避 开 时段 起 始 点 的 电平 跳 变 当监测到一个 电平跳变后 芯片只有在计数 器 计 到 3时 才重 新 开始 监 测 电平 跳 变 当使 用 4 0 M 钟 振 一个 时钟 周期 为 2 5 U S 而 当计 数 器计 到 3时 也 就是 7 5 U S 正好 避 开 了起 始 点 的可能 出现 的 电平 跳变 从 而保证了信号 同步和监测到的电平跳变必 定是中间点的 计数器清零 一直等到再次检测 到 电平 变化 计数器 重新 开 始计 数 对于 1 0 M 网络 实际的采样频率应该在 8 O M 之上 因为这样 才 可 以保 证数 据解 码 的正确 性 而对 于 1 0 0 M 甚至 1 0 0 0 M 网络 F P GA 已经提供了一 些特殊的采样方法 例如带 P L L功能 以实现对 于 高频信 号 的足 够 的采样频 率 2 1 2 编 码 算法 由 于 Ma n c h e s t e r编码 机 制 是 在 一 个 数 据 发 送 位 中有一 次 电平变 换 所 以在发 送时 实 际的码 元 发 维普资讯 第 4期 汪 昆 冯 冬 芹 基 于 F P GA 的 以 太 网物 理 层 信 号 处 理 器 的研 究8 5 7 圉 3 M a n c h e s t e r解 码 机 理 送频率是 网络传输速度 的两倍 也就是说 对于 1 0 M 的网络 此时 的码元 发送 频率 为 2 0 M 而本 处理 器选 用的 8 0 M 的晶振可 以方便 的分频出 2 0 M 的 频率 当有数据传输时 芯片要将解码后信号按照 Ma n c h e s t e r编码 方式 发送 出去 而在 数据 发 送完 毕 时 TX D 要保持高电平三个 B i t Ti me s 当没有数 据传输时 处理器必须每隔 8 r D S 到 2 4 ms之间发出 一 个 NL P脉 冲 No r ma l Li n k P u l s e 以通 知 对侧 通 讯设备 连接 仍然 有效 本 编解 码 算法 对 于 Ma n c h e s t e r编 码都 是 通 用 的 所 以对 于 1 0 M 1 O O M 甚 至 1 0 0 0 M 网络都 是 适 用 的 而不 同之 处在 于 采样 频率 的 不 同 对 于 1 0 M 网络相对频率比较低的网络 可以采用 比较高的 采样 频 率 来保 证 解 码 后 数 据 的正 确 性 而对 于 1 0 0 M 甚 至 1 0 0 0 M 网络 不 适 合 采 用 更 高 的 采 样 频 率 而 目前 几大 F P GA 厂 家推 出了一 些特 殊 方法 解 决 该 问题 例 如增 加 P I I 功 能 在 完成 数据 采集后 解码算 法则是 通用 的 2 2 C R C 一 3 2差 错校 验算 法 循 环 冗 余 校 验 C R C C y c l i c R e d u n d a n c y C h e c k 是用来在网络传输中进行信息的校对 当数 据在传输过程中发生了错码和误码 C R C将尽最大 可能检测出来 但并不纠正传输差错 由于其原理简 单 实现方便 因此在通信 系统 中得 到了广 泛的应 用 C R C差错校验功能属于数据链路层的传输差错 控制 功 能 并不 是物 理链 路层 的必 需功 能 但 是 由于 为了提高传输数据的可靠性 减少错码和误码率 同 时尝试实现部分数据链路层 功能 本处理器实现了 C RC差 错 校验算 法 为 进一 步进 行数 据 链路 层 的数 据处 理进行 了基础性 研究 C R C校验 采用 多项 式 编码 方法 被处 理 的数据 块 可 以看 作 是 一 个 阶 的 二 进 制 多 项 式 由 a 一 z 一 日 n 2 z 一 日 1 z 日 0 如一个 8位 二进制 数 1 0 1 1 0 1 0 1可 以表 示 为 1 z O x I x I x O x 1 z 0 z 1 多项 式乘 除法 运算 过程 与普通代 数 多项 式 的乘除 法 相同 多项 式 的加减 法运 算 以 2为 模 加减时不进 错位 和逻辑异或运算一致 采用 C R C校验时 发送方和接收方用同一个生成多项式 g z 并且 g z 的首位和最后一位 的系数必须 为 1 C RC的处理 方 法是 发送 方 以 g z 去 除 t z 得 到余数作为 CR C校验码 校验时 以计算的校正结 果是否为 0为据 判断数据帧是否出错 3 而在 常用 的通 讯 网络 中 大 多 采 用 C R C 一 3 2差 错校验算法 即发送方从 开始发送数据时就开始计 算 C RC校 验码 可 以按 位 计 算 也可 以按 字 节来 计 算 在发送 完 所有 的数 据后 将计 算好 的 C R C校验 码 添 加到发送 数据 的最后 C R C 一 3 2则 表示 C R C码 为 4 b y t e 3 2 b i t 而 C R C一3 2的生 成多 项式 是 g z 一 z z z z 一 z z z u z z z z z z z 1 在 常见 的 C RC 一 3 2差 错 校 验 算 法 通 常 由两 种 方法 来 实 现 一种 就是 比特 型 C RC算 法 另 一种 是 字 节 型 C R C算 法 字 节型 C R C算 法基 于这样 一 个原 理 计 算 本字 节 后 的 C R C 码 等 于 上 一 字 节 余 式 C R C码 的 低 8 位左 移 8位 加 上上 一字 节 C R C 右移 8位 和本 字节 之 和 后所 求得 的 C R C码 如果把 8位 二进制 序列 数 的 C RC 共 2 5 6个 全 部 计算 出来 放在 一 个 表 里 编 码 时只要 从 表 中查 找 对应 的值进 行处 理 即可 这 个方法可 以极大 的提高计算速度 但需要占据一定 的存 储 空 间 比特 型 C RC算法则 是 基 于计 算 本位 后 的 C R C 码 等于 上一位 C RC码 乘 以 2 后 除 以多项 式 所得 的 余数 再 加上 本位 值除 以 多项式 所得 的余数 这种 算 法代码简单 占用内存较小 但是对 于处理器来说 由于 需 要按 位 计 算 C RC 占用 了大 量 处 理 器 时 间 所以应用 比较少 而 F P GA进行数字逻辑运算是其 优势 同时 由于是基 于硬 件 对于信号可 以并行处 理 所以本处理器采用了该算法来实现 C R C计算 首 先 确定 数 据 的长 度 即确 定 何 时 开 始 计 算 C RC 何 时 停 止 计 算 C RC 然 后 按 位 跟 特 征 值 3 2 h 0 4 Cl l D B7相 与 所 得 值 再 加 上 上 一 位 产 生 的 C R C校验码 即是该位的校验码 F P GA其特点在 于处理数字信号速度快 并行处理数据 因此这种按 位进行 C R C计算的方式非常适合 F P GA 同时算法 简单 占用内存少 通过 Ve r i l o g硬件描述语言编写 仅仅需要十多行代码就可以实现 在实际应用 中该 算 法实 现方 法 也能满 足各 方 面的要 求 维普资讯 8 5 8 电 子 器件 第 2 8卷 2 3 其 他功 能模块 2 3 1 控制模 块 控制模块负责控制 F I F O的数据读写功能和进 行通讯信号的收发控制 目前 由于主要工作在物理 层 所以控制功能比较简单 而后期工作将重点在这 个方面进行进一步的研究开发 争取逐步实现一些 数据链路层功能 使其成为处理器的核心模块 2 3 2 FI FO F I F O模块的实现是基于 F P GA芯片提供 的资 源 硬件上 F P GA提供了足够大的 R AM 可以用来 储存数据 而在程序方面 则可以直接调用厂家提供 的 I P C o r e 从 而 生成 两个 先进 先 出 的 F I F O 用 于 存 储 两个 通 道 上 的以太 网数据 F I F O 模块 缓 存 了部 分的接收数据 一定程度提高了接收数据的正确性 3 结束语 本 处 理 器 已经 在 1 O M 网 络 中试 验 成 功 可 以 灵活实现 以太网数据信号的编解码功能和信号接收 转发 功 能 并在 工业 以太 网 E P A 协议 系统 中正在 尝 试应用 同时本处理器提 出的 Ma n c h e s t e r 编解码算 法和 C R C 一 3 2算 法具有一定的通用性 可 以应用在 各种工业以太 网协议 中的数据链路层信号处理 中 为利用 F P GA技术处理工业 以太 网信号奠定 了基 础 参 考文 献 1 赵雅兴 F P GA 原理 设计及应 用 M 天津 天津 大学 出版 社 1 9 9 9 2 冯冬芹 黄文君 工业通信 网络与系统集成 M 北京 科学 出 版社 2 0 0 4 3 I E E E S t d 8 0 2 3 P a r t 3 C a r r i e r s e n s e mu l t i p l e a c c e s s wi t h c o l l i s io n d e t e c t ion CS M A CD a c c e s s me t h o d a n d p hy s i c a l l a y e r s p e c i f i c a t i o n s 2 0 0 0 E d i t i o n s I s 0 I E c 8 8 0 2 3 2 0 0 0 上 接 第 8 4 5页 3 降低 芯 片封 装 中 的 电源 和 地 管 脚 的 电感 比如 增 加 电源 地 的管 脚 数 目 减 短 引 线 长度 采 用 更好 的封装 等 4 增 加 电源 和地 的互 相耦 合 电感 也可 以减 小 回路总 的 电感 因此要让 电源和地 的管 脚成对 分 布 并 尽量靠 近 5 给系统 电源增加去耦 电容 这些电容可 以 给高频的瞬变交流信号提供低 电感的旁路 而变化 较慢的信号仍然走系统电源 回路 虽然负载电容也 可以看作去耦 电容 但由于其电容相对较小 所以对 交流旁路作用不大 6 考虑在 芯片封装 内部使用去耦 电容 这样 高频电流的回路 电感会非常小 能在很大 程度上减 小芯片 内部 的同步 开关 噪声 参考文 献 1 Ve mu r u S R Ac c u r a t e s i mu l t a n e o u s s wi t c h i n g n o i s e e s t i ma t i o n i n c l u d i n g v e l o c i t y s a t u r a t i o n e f f e c t s J I E EE T r a n s Co mp Pa c k a g a n d M a n u f a c t Te c h n o l B 1 9 9 6 3 1 9 3 4 4 3 4 9 2 Ve mu r u S R E f f e c t s o f s i mu l t a n e o u s s wit c h i n g n o i s e o n t h e t a p e r e d b u f f e r d e s i g n J I E E E T r a n s VL S I S y s t 1 9 9 7 9 5 2 9 0 3 0 0 3 Va n V a l k e n b u r g M E N e t w o r k An a l y s is M E n g l e wo od Cl i f f s NJ P r e n t i c e Ha l l 19 7 4 6 1 3 9 1 6 3 4 L a r s s o n P Re s o n a n c e a n d d a mp i n g i n C MOS c i r c u i t s wi t h o n c h i p d e c o u p l i n g c a p a c i t a n c e J I E EE