基于MPSoC的以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)

　　研究了以太網(wǎng)在多核系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊，設計了以太網(wǎng)IP核到MPSoC網(wǎng)絡資源的硬件接口。闡述了設計中各模塊的實現(xiàn)功能和設計方法，通過仿真和FPGA驗證結果表明，以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)通訊具有實時和高吞吐率。實現(xiàn)了多核系統(tǒng)與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的信息傳遞，硬件設計結構簡單、性能穩(wěn)定可靠。

　　隨著電子信息技術發(fā)展，網(wǎng)絡通信在日常生活中應用越來越廣泛，以太網(wǎng)技術經(jīng)歷了10 Mbit·s-1到10 Gbit·s-1的發(fā)展歷程。當前電子設備網(wǎng)絡化、多媒體技術、數(shù)字圖像處理技術成為研究的熱點，片上多核系統(tǒng)(Multi-processor system-on-chip，MPSoC)在復雜數(shù)字系統(tǒng)中成為主要的硬件結構方案。這類系統(tǒng)通常用以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信，以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)是一個關鍵部分。

　　數(shù)字系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，隨著市場激烈競爭，系統(tǒng)開發(fā)周期要求也變得苛刻，目前，片上多核系統(tǒng)基于IP核的設計成為了主流趨勢。系統(tǒng)性能的提高，片上集成的處理器數(shù)量也不斷增多，基于網(wǎng)絡結構的片上多核系統(tǒng)相比總線結構的設計優(yōu)勢越來越顯著。Xilinx公司和Ahera公司開發(fā)的FPGA芯片針對不同型號，都提供了許多不同類型和不同功能的IP核。然而，復雜數(shù)字系統(tǒng)，采樣FPGA實現(xiàn)，在開發(fā)難度和成本上占有明顯優(yōu)勢。

　　1 MPSoC系統(tǒng)架構

　　MPSo采用NoC(Network-on-Chip，NoC)通訊結構，處理器和IP核通過資源接口與網(wǎng)絡通訊。系統(tǒng)結構如圖1所示，處理器與IP核采用總線通訊方式形成簇結構，簇、以太網(wǎng)模塊和DDR模塊通過資源接口與網(wǎng)絡進行通訊。圖中運算簇集成了兩個處理器，完成數(shù)據(jù)運算，轉置簇集成一個ARM控制器承擔數(shù)據(jù)的行與列交換，DDR模塊為片外存儲芯片的控制器，以太網(wǎng)承擔著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊模塊，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2 以太網(wǎng)接口設計

　　以太網(wǎng)模塊設計主要完成以太網(wǎng)控制器IP核用戶端接口協(xié)議與多核系統(tǒng)網(wǎng)路通訊協(xié)議的轉換。以太網(wǎng)接口硬件結構設計如圖2所示，以太網(wǎng)控制器IP核為Xilinx公司ISE軟件例化生成的千兆網(wǎng)控制器。接收模塊完成系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)輸出到以太網(wǎng)控制器IP核用戶端數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議轉換，發(fā)送模塊承擔以太網(wǎng)控制器用戶端數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)路數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議匹配。網(wǎng)絡接口模塊為多核系統(tǒng)通訊資源接口。

　　2.1 幀格式定義

　　圖3所示為兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)格式定義。以太網(wǎng)IP核用戶接口數(shù)據(jù)以幀格式定義數(shù)據(jù)的輸出或輸入，數(shù)據(jù)寬度為8位，幀數(shù)據(jù)長度范圍為64～1 518 Byte，在具體硬件設計中一般選擇固定數(shù)據(jù)長度傳輸，使硬件結構設計簡單。具體格式如圖3(a)所示，先輸入的數(shù)據(jù)為目的網(wǎng)卡的網(wǎng)絡地址，數(shù)據(jù)長度為6Byte。其次是6 Byte的源片網(wǎng)絡地址。接著為幀傳輸定義的類型或數(shù)據(jù)傳輸長度，長度占2 Byte，數(shù)據(jù)長度通常在數(shù)據(jù)幀比較短情況指定。如0010，表示后面?zhèn)鬏數(shù)?6個數(shù)據(jù)是有效的，傳輸多余長度的數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)控制器IP核默認為無效數(shù)據(jù)。而采用類型定義來傳輸幀，在數(shù)據(jù)傳輸長度范圍內(nèi)，結束控制信號以前的數(shù)據(jù)都表示為有效數(shù)據(jù)。文中選用512的固定數(shù)據(jù)傳輸長度和8 000標識的幀類型完成硬件設計。

　　網(wǎng)路接口數(shù)據(jù)包格式如圖3(b)所示，數(shù)據(jù)深度定義為變長，數(shù)據(jù)寬度為34位，為多核系統(tǒng)實時高效的數(shù)據(jù)傳輸提供良好的協(xié)調(diào)作用。第一個數(shù)據(jù)為系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議的路由包，其后一個數(shù)據(jù)為配置信息，稱為配置包。接著為不定長度有效數(shù)據(jù)包。有效數(shù)據(jù)包發(fā)送結束后，緊接著發(fā)送一個數(shù)據(jù)結束包。

　　網(wǎng)路數(shù)據(jù)包中不同包類型的格式定義，具體描述如圖4所示，數(shù)據(jù)高2位標識不同包格式類型。當高2位為11 B時，標識為路由包，其中第28～17位表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，第16位到第9位定義數(shù)據(jù)源傳播的網(wǎng)絡坐標地址，低8位定義為數(shù)據(jù)通訊的目的網(wǎng)絡地址，剩下數(shù)據(jù)位定義為保留位。當高2位為10B時，標識為配置包，其他位根據(jù)通信需求，設置不同配置信息。當高2位為00B時，標識為數(shù)據(jù)包，剩余位為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)信息。當高2位為01B時，標識為結束包，其它位為保留位。