基于FPGA的嵌入式串行千兆以太网设计

摘要：本设计以Xilinx FPGA为棱心芯片，利用内嵌硬核处理器PowerPC、嵌入式操作系统Xilkernel和LwIP协议功能函数，完成嵌入式串行千兆以太网系统的设计。本设计能够满足以太网通信对高速数据传输的要求，同时在电路设计时，具有PCB布线简单以及信号完整性好等优点。
关键词：千兆以太网；FPGA；SGMII；PowerPCA40

引言
    随着通信技术的发展，千兆以太网因在传输中具备高带宽和高速率的特点，成为高速传输设备的首选。基于Xilinx FPGA的嵌入式系统设计整合了一系列的知识产权(IP)核使其功能强大，从而使得利用FPGA进行嵌入式串行千兆以太网开发成为可能。
    本设计使用Xilinx公司65 tim工艺级别的Virtex-5FXT系列芯片，满足嵌入式系统设计所应具备的高性能、高密度、低功耗和低成本的要求。V5 Hard TEMAC模块提供了专用的以太网功能，并通过FPGA内部高速串行收发器GTX和Marvell公司的88E1111物理层接口芯片相连，完成串行千兆以太网的接口功能。物理层接口芯片支持MII、GMII、RGMII和SGMII四种以太网接口模式。相对GMII接口而言，SGMII接口的I／O端口数目少，便于PCB布线，并且数据信号以差分对的形式出现，有利于保证信号完整性。
    本文将FPGA内嵌PowerPC硬核处理器、Xilinx精简嵌入式操作系统Xilkernel，以及相应的外设IP Core相结合，完成嵌入式串行千兆以太网的设计。

1 总体设计
    系统硬件平台中选用Xilinx公司的Virtex-5 FX70t作为主控芯片，它集成了PowerPCA40处理器模块和高速RocketIO GTX收发器。
    外部存储器采用Mcron公司的128M×16位DDRSDRAM芯片MT47H128M16HG-31T，为程序运行提供空间。
    在网络芯片方面有两种方案可供选择，即单物理层芯片方案和物理层加MAC层集成于同一芯片方案。基于易于控制方面的考虑，采用Marv ell公司的88E1111单物理层接口芯片作为解决方案，该芯片支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T以太网协议。本系统硬件由Virtex-5 FX 70t芯片、88E1111 PHY芯片、DDRII芯片、8个拨码开关(8DIPS)、8个LED灯和RJ45接口构成，其连接框图如图1所示。

    串行千兆以太网设计中，需使用FPGA内部RoeketIO GTX收发器完成SGMII链路的建立。RoeketIOGTX是集成在Virtex-5 FX70t芯片中灵活的、功能可配置的千兆位级串行收发器，支持750 Mbps～6．5 Gbps的数据传输速率，满足千兆以太网系统设计中数据传输速率的要求。本设计通过在FPGA中例化EMAC硬核，并将相应的FPGA端口和外部PHY芯片88E1111相连完成SGMII链路的建立。SGMII接口使用全双工模式，有收发两个独立的通道，每个通道使用一对差分信号线，采用无时钟信号模式，RoeketIO GTX收发器从串行数据中恢复时钟用于差分数据的发送与接收。
    SGMII接口实现框图如图2所示。

    本系统基于Xilinx公司嵌入式系统开发工具EDK12．3完成软硬件协同设计。EDK12．3由XPS(Xilinx Platform Studio)、SDK(Software Development Kit)等组成。设计时需在XPS环境下添加所需的IP核，生成硬件系统框架，并添加相应的引脚约束和时序约束，然后调用Plat gen生成嵌入式系统硬件部分的网表(．NGC)文件和比特(．bit)文件，并通过软件描述文件(．MSS文件)来设置系统软件配置；接着将硬件设计导入到SDK中，并在SDK中生成各个外设的驱动层和库，设置相应软件的操作系统、库、外设驱动的属性，添加应用软件项目并编写应用软件；最后，调用处理器对应的编译器编译软件并和硬件可执行文件合成后，生成最终的二进制比特文件，下载到目标板进行系统调试。

2 PowerPC的硬件设计
    设计中采用的FPGA内嵌硬核处理器PowerPC440属于32位精简指令集嵌入式处理器，它采用扩展型Book-E结构，其内部包括一个高性能、可双指令处理并有七级流水线的微内核。同时，具有灵活的存储器管理单元(MMU)、3个相互独立的128位PLB总线接口、4个直接存储器存储(DMA)控制单元，以及设备控制寄存器(DCR)等。它集成了32 KB指令和32 KB数据缓存，在550 MHz时钟频率下可提供高达1100 DMIPS的性能。在本设计中，PowerPCA40通过PLB总线与外设端口相连，其硬件架构如图3所示。

    系统硬件平台的搭建(包括PowerPC处理器功能配置、系统总线结构以及相应的地址映射)均在EDK集成开发环境XPS中完成。
    设计中采用片内高速数据总线PLB连接各种控制IP核，PowerPC440通过PLB总线完成对内部IP核以及外设的访问和控制功能。其中，外部PHY芯片通过与在FPGA内部例化EMAC核(Ethernet MAC)相连，挂载在PLB总线上，完成SGMII链路的建立；DDR II芯片通过IP核多端口存储控制器(Multiport Memory Controller，MPMC)挂载在PLB总线上，实现外部存储功能；串口通过串口控制器IP核(Xps_uartlite)与PLB总线相连，用于打印输出调试状态信息；8个拨码开关DIP和LED灯分别通过GPIO口与PLB总线相连，实现简单的控制与状态显示功能。
    硬件结构如图4所示。

    本系统使用时钟生成器IP核生成系统各模块工作时所需时钟。该IP核模块的输入时钟为FPGA全局时钟引脚输入的100 MHz时钟，经过相应的倍频，生成400 MHz的PowerPC440工作时钟，生成200 MHz的DDR Il工作时钟以及125 MHz的Ethernet MAC工作时钟。
    在各模块添加及连接结束后，需添加UCF约束文件，包括FPGA引脚约束和相应的时序约束等，并对XPS自动生成的微处理器硬件规范MHS文件进行相应的修改，对系统进行适当的优化。生成的系统在综合、布局、布线无误后生成最终的．bit文件，准备下载到电路板上。

3 嵌入式系统软件设计
    本系统软件部分需实现TCP／IP网络协议，TCP／IP协议模型包括应用层、传输层、网络层和网络接口层。网络接口层分为PHY层和MAC层两部分。其中，PHY层由外部PHY芯片88E1111实现，MAC层由Xilinx公司的Hard Ethernet MAC IP核实现，并作为整个Power-PC系统硬件的一部分在FPGA的内部实现。
    网络层和传输层主要采用LwIP协议模块编写相应的软件代码。LwIP同时支持服务器模式和客户端模式，提供RAW和Socket两种API。它的特点是在保持TCP／IP协议主要功能的情况下，减少对RAW的使用，使得LwIP在各类高档嵌入式系统开发中得到广泛的应用。本设计选择Xili nx公司的精简嵌入式操作系统Xilkernel，用于更好地管理系统资源。Xilkernel能与EDK形成的硬件系统紧密结合，是一种可定制的简单高效系统。Xilkernel系统的配置可以在开发环境SDK中进行手动设置。本设计中运用LwIP协议模块编写运行在Xilkernel操作系统上的应用软件，实现了Web Server(网页服务)、FTP(FileTransfer Protocl)、Telnet远程登录服务、iperf应用等功能。下面以网页服务程序、iperf服务器和客户端程序为例对软件设计流程进行说明。
    具体流程描述如下：
    ①在Xilkernel系统的静态启动线程main_thread()中，初始化网络协议和文件系统。
    ②调用线程生成函数sys_thread_new()生成并启动线程1。
    ③在线程1中设置电路板硬件的MAC地址、网关、IP地址和子网掩码等参数，并初始化网络接口。具体设置方式如下：MAC地址为00；0a：35；00；01；02；IP4地址为192．168．1．10；IP4地址掩码为255．255．255．0；IP4地址网关为192．168．1．1。
    ④初始化一个Socket，将它与IP地址和端口号绑定，然后开始监听网络，一旦监听到网络请求，再由函数sys_thread_new()生成一个线程2去响应，用于缓存接收到的数据包。然后，通过函数launch_app_threads()判断监听到的网络请求属于哪种类型，并由函数sys_thread_ new()生成相应的线程3去处理。
    如果是网络服务请求，则将网页文件输出到PC机上，并接收PC机传输的控制数据信息，其程序流程如图5所示。如果是iperf应用请求，则发送或接收相应的数据完成对请求的响应。

    网页服务程序运行前需在FPGA外部的DDR中建立文件系统，将用于控制的相关网页文件保存在该文件系统中。系统在运行时，访问预设的IP地址，会将相关网页文件传输到远端控制电脑上，并通过网页中的超链接命令脚本将预设的控制信息传送给PowerPC处理器，用以控制电路板上的LED灯亮灭，或者读取电路板上拨码开关的状态值并在服务器首页上显示。
    本设计中采用iperf网络测试软件对其性能进行测试。采用9 000字节巨帧可以实现高达490 Mbps的传输速率。

结语
    本文成功使用Virtex-5 FX70t芯片实现串行千兆以太网系统，并通过网页服务程序对其功能加以验证。本系统在硬件电路设计阶段具有I／O端口数目少、便于PCB布线，以及信号完整性容易保证等优点。通过iperf网络测试软件对其传输速率进行测试，其结果达到高速数据传输的要求。