基于FPGA的网口数据传输和应用程序开发

1、-范文最新推荐- 基于FPGA的网口数据传输和应用程序开发 摘要随着以太网络技术的不断发展，数据交换、数据传输的流量越来越大。FPGA以其高传输速率和低设计成本，已被广泛应用于高速通信领域，并成为业界首选。此课题正是基于FPGA的网口数据传输和应用程序开发，实现了FPGA与PC之间的高速数据传输。本课题按照TOP DOWN的设计方法，在确定系统架构方案后，对各个模块之间的接口信号及交互方式进行了详细规划，本课题主要实现的是利用FPGA中内嵌的MAC控制FPGA与PC机之间的数据传输。应用程序开发主要使用Xilinx推出的嵌入式处理设计平台Studio工具（Xilinx Platform Stu

2、dio）完成，利用IP核进行数据传输，最后下载到Xilinx公司的Virtex-5 ML507 FPGA 开发板上进行测试，测试结果表明网络通信数据的正确性。9999关键词FPGA以太网数据传输IP核毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleThe network port of FPGA-based data transmission andapplication developmentAbstractWith the development of Ethernet technology, the flow of data transmission and data exchange is i

3、ncreasing.FPGA, with its high transmission rate and low design costs, has been widely used in the field of high-speed communications, and become the industry preferred. This topic is about an application development of FPGA-based Ethernet port data transfer to achieve high-speed data transfer betwee

4、n FPGA and PC.This topic accordance with TOP DOWN design, in determining the system architecture program, the interface signals between the various modules and interact detailed planning, the main achievement of this topic is embedded in the FPGA MAC control the FPGA and PC between the data transmis

5、sion. Application developers to use Xilinx offers the Embedded Processing Platform Studio tools (Xilinx Platform Studio) to complete, the use of IP cores for data transmission, and finally downloaded to the Xilinx Virtex-5 ML507FPGA development board for testing, the test results show the correctnes

6、s of the data communication. 结论35致谢36参考文献37附录A——帧发送程序39附录B——帧接收程序421绪论随着以太网技术的不断发展，网络的传输速度已经由最初的10MHz发展到现在的1000MHz。用可编程逻辑器件(FPGA)实现以太网控制器与PC机之间的数据传输成为了热点。在本章中，将对基于FPGA的网口数据传输的研究背景、研究现状及实现目标进行阐述。在此之后，阐述了FPGA设计流程和开发工具。1. 1课题研究背景近年来FPGA（File Programmable GateArray现场可编程门阵列）在通信领域的

7、应用越来越广泛，FPGA运算速度快，容易实现大规模系统，内部程序并行运行，但进行高精度复杂运算处理是FPGA的劣势，同时由于计算机具有强大的运算和处理能力，可以将高精度复杂运算处理由PC机完成后再交给FPGA完成其他工作。雷达、气象、航天等领域不仅数据运算率巨大，数据处理复杂，而且需要实时远程高速传输，从而需要长时稳定有效的信号加以支持，以便能够获得精准的收发数据信息，更好地为工程项目服务。而以太网是一个占据绝对优势的固线连接标准。Xilinx Virtex-5以太网媒体接入控制器(以太网MAC)模块提供了专用的以太网功能，它和 Virtex-5 RocketIO GTP收发器以及Select

8、IO技术相结合，能够让用户与各种网络设备进行连接。在Virtex-5器件中，以太网MAC模块作为一个硬件块集成在FPGA内部。以太网技术主要研究内容包括物理层和MAC子层。MAC子层控制器既可以集成于网络终端设备中实现网络接入，同时又是开发网桥、交换机等网络互连设备，延伸以太网传输范围的基础，在以太网接入中起到很关键的作用。另外，对于不同的以太网传输媒介，MAC子层不需要改动或者只需很小的改动。因此，开发以太网MAC控制器的IP核具有重要的意义。 所以在以太网芯片的应用越来越广泛的时候，有必要对其进行深入研究并自行开发。1. 3FPGA设计流程与开发环境1.3.1FPGA设计流程FPGA设计分

9、为设计准备、设计输入、设计处理、功能仿真、时序仿真、器件编程和下载测试七个步骤，设计流程如图1.1所示。图1.1 FPGA设计流程图（一）设计准备可编程逻辑设计是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程如图1.1所示。（二）设计输入1）原理图原理图输入方式是最直接的设计描述方式，要设计什么，就从软件系统提供的元件库中调出来，画出原理图。其优点是容易实现仿真，便于观察信号和调整电路;缺点是效率低。2）器件描述语言硬件描述语言是用文本方式描述设计。其突出优点有：语言与工艺的无关性，使设计人员在系统设计、逻辑验证阶段便于确立方案的可行性；语言的公开可利用性

10、，便于实现大规模系统设计；很强的逻辑描述和仿真功能，且输入效率高；在不同的设计输入库之间转换非常方便，无需熟悉底层电路和PLD结构。3）波形图波形输入方式主要用于建立和编辑波形设计文件、输入仿真向量和功能测试向量。波形设计输入适用于时序逻辑和有重复性的逻辑函数。（三）设计处理设计处理是器件设计的核心环节。设计处理过程中，编译软件对设计输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，产生编程用的编程文件。主要包括:语法检查和设计规则检查、逻辑优化和综合、映射、适配和分割、布局和布线、时序提取和配置等相关工作。（四）功能仿真功能仿真是使用仿真工具对完成的设计进行测试，模拟实际物理环境下的工作情况。功能仿真也

11、称为前仿真，仅对逻辑功能进行测试模拟，了解其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程未加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性。 1. 4论文研究内容和章节安排1.4.1论文研究工作本文主要完成的工作有：1、实现往FPGA内嵌MAC里写数据，通过Xilinx推出的嵌入式处理设计平台Studio工具（Xilinx Platform Studio）完成，可用LED灯验证数据是否传输。2、将FPGA内嵌MAC的数据传输到PHY(88E1111)芯片，之后经由变压器传到RJ45，最终通过网口传送至PC机。3、通过抓包软件(Wireshark)，监视PC机和FPGA之间的传输状态和流动情况。4、改进整体设

12、计，尽量提高每秒传输的数据量。1.4.2章节安排本文主要分为五个章节，各个章节安排如下：第一章阐述了基于FPGA的网口数据传输和应用程序开发的研究背景、研究现状和研究目标。然后介绍了FPGA的设计流程和开发工具；第二章详细描述了以太网控制器MAC的工作机制；第三章和第四章是本文的重点，分别完成了系统硬件模块设计和软件程序设计；第五章则完成在硬件平台上的测试。2以太网控制器MAC工作机制2. 1引言以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100M

13、bit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3协议标准。2. 2以太网工作原理2.2.1OSI（开放系统互连）参考模型IEEE802.3在制订时的一个基本思想是对系统进行逻辑划分，研究各层之间如何通信。早在1983年国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）就为数据通信网的体系结构制订了一个通用的标准，它称为开放系统互连（Open Systems Interconnection，OSI）参考模型，在OSI参考模型中，为了便于网络的组织和设计，采用分层结构。图2.1为IEEE80

14、2.3体系结构模型。 4）第四层运输层（transport layer）：运输层传送数据单位是报文（message）。它负责在两个实体之间建立一条端到端的信道，并为通信两端提供可靠和透明的传输。它还进行端到端的差错控制、顺序控制和流量控制等。运输层是通信的最高层。更高的三层已经和网络技术无关，而是涉及到网络的应用方面。因此，运输层是网络层和会话层之间的接口，它将上下两层隔开，使上一层看不到下一层中数据传输的细节。5）第五层会话层（session layer）：会话层在两个实体之间建立起进行一次“会话”的逻辑连接关系，负责网络登录和注销、身份鉴别和运作方式（单工、双工和半

15、双工）等，并对“对话”进行管理和控制，但是不包括呼叫建立、设置和断开连接等功能。6）第六层表示层（presentation layer）：表示层将上一层提供的数据作必要的编码或语法变换，以通信通用的格式送给网络，使不同类型的设备能够互相通信。其功能包括数据文件的格式化、编码（ASCII码、EBCDIC码，等等）、加密和解密、对话过程、数据压缩、同步、中断和终结。表示层还完成编码和字符集的转换和决定报文显示方式。7）第七层应用层（application layer）：应用层是OSI中的最高层，它确定进程之间通信性质以满足用户的需要，其功能决定于用户需求和网络服务目的。应用

16、层还提供应用进程所需要的信息交换、远程操作、系统管理和应用管理。应用层直接和用户的应用程序通信。2.2.2以太网通信机制基于广播的以太网中，所有工作站都能收到发送到网上的信息帧。每个工作站都要确认该信息帧是不是发送给自己的，一旦确认是，就将该信息帧发送到高一层的协议层。 发送数据过程中，工作站边发送边检测总线，看是否发生冲突。若无冲突则继续发送，直到发送完该数据;若发生冲突，则停止发送，之后要发送32比特的JAM信号，这样网络所有站点都知道发生了冲突。然后，等待一个随机时间，在总线空闲时重新发送该数据，这就是以太网介质访问规则的冲突检测（CD）部分。2.2.3以太网MAC层协议标准IEEE80

17、2.3中规定的帧由下列域组成：前导码、起始帧分界符、目的地址、源地址、长度/类型、数据单元、填充和帧校验序列，格式如下图2.2所示。图2.2 标准以太网帧结构1）前导码（Preamble）：七个字节的“1/0”交替码，该字段保证网络上的以太网接口能在重要的数据字段到来之前与输入的数据流同步，即使接收方与发送方的时钟同步。考虑到信号在通过系统时可能产生的延时，前导码允许丢失几位，这样就避免帧的其余部分受到影响。前导码是保护帧中其余部分的盾牌。2）起始帧分界符（Start of Frame Delimiter）：一个字节的“10101011”，最后两

18、位是特殊的“1101”模式，这两位通知跟在后面的是帧的实际字段。3）目的地址（Destination Address）：是以最低位（LSB）在前方式发送的六个字节。接收方MAC用DA判定接下来的数据包是否是给该字节的。如果接收节点检测到自己的唯一节点地址与DA域中的地址相匹配，它将试图接收该数据包。而其他未检测到这种匹配的节点将忽略数据包的其他部分。有三种类型的地址被支持：单播地址（物理）、组播地址和广播地址。4）源地址（Source Address）：是以最低位（LSB）在前方式发送的六个字节。SA域由发送方的MAC提供。发送方MAC在发送时将其自身的唯一地址填充到该

19、域中，用以表明它是起始站点。接收方MAC不需要基于SA域做出动作。 2. 3数据发送过程以太网发送数据过程大体上分为全双工和半双工两种模式。这两种模式发送过程不同。在半双工模式下，以太网MAC传送一帧要经过以下步骤：1）传送前先侦听信道是否忙，如果侦听到信道中存在载波，此时不能发送数据。须等到载波消失时才发送，否则继续等待。载波侦听过程如图2.3所示。图2.3 载波侦听框图2）如果此时介质空闲，站点在等待一段帧间隔时间（IPG）后开始发送。帧间隔时间设为传送96比特所需的时间，即：10Mbps时，IPG为9.6us；100Mbps时，IPG为0.96us。如果介质忙碌，则要继续侦听，一旦信道空闲，站点就可