基于千兆以太网的PC机与FPGA的高速数据传输 计算机, 以太网, 程序, 领域, 能力

摘要： 使用WinPcap 自定义通信帧格式，实现一种PC 机与FPGA 之间双向高速数据传输的方法，绕过TCP 协议和IP 协议，只涉及到链路层和物理层，降低了FPGA 端的协议解析复杂度、减少拆包时间和时延，且突发速率达到1Gbit /s。
0 引言
近年来，FPGA( Field Programable GateArray，现场可编辑门阵列) 在通信领域的应用越来越广泛，FPGA 运行速度快，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由PC 机完成后再交由FPGA完成其他工作。千兆以太网作为一种高速以太网技术，仍采用了与10M 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。利用千兆以太网，可以方便地构建PC机与FPGA 的高速数据传输系统。
1 总体设计
系统总体设计如图1 所示，数据通过PC 机的网卡发送，利用千兆以太网作为传输媒介，传输至FPGA 端时首先通过SFP 光模块进行电光转换，然后到达FPGA 的Rocket－IO PHY 层，该层是高速的串行收发器，可对数据进行单工或双工的收发。接收完成的数据被送至MAC 层进行地址解析与校验，只有当解析与校验结果正确且FIFO 不满时，数据才能被写入FIFO。写入FIFO 的数据可被后续的用户逻辑进行相关的数据处理。


在PC 端，考虑到所传输数据具有较为固定的格式且传输速率很高，将不采用传统的套接字服务( SOCKET) ，改为在Winpcap 驱动基础上构造并发送或接收自定义的数据包格式。该数据包格式对传统的以太网数据包格式进行大量简化，绕过TCP 和IP 协议，只设计数据链路层与物理层，降低FPGA 端协议解析的复杂度，减少拆包时间与时延。
1．1 Winpcap 简介
WinPcap 是应用于Win32 平台的数据包捕获与网络分析的一种体系结构，为Win32 应用程序提供访问网络底层的能力，其主要思想来源于Unix 系统中BSD 包捕获构架。WinPcap 主要由3 个模块组成：
( 1) NPF 包过滤器，数据包监听设备驱动程序，是架构的核心，它工作在内核级，主要功能是过滤数据包。它直接从数据链路层取得网络数据包，不加修改地传给运行在用户层的应用程序，也允许用户发送原始数据包。
( 2) Packet.dll 是低级的动态链接库，运行在用户级，把应用程序和数据包监听设备驱动隔离开来，使得程序可以不加修改地在不同的Windows 系统上运行。通过Packet． dll 提供的能用来直接访问BPF驱动程序的包驱动API，利用“raw”模式发送和接收包。不同Windows 系统上的Packet． dll 并不相同，但由于它提供了一套相同的调用接口，这样使得高级系统无关库不依赖于特定的Windows 平台。
( 3) Wpcap． dll 是高级系统无关库，也工作在用户级，它和应用程序编译在一起，并使用低级动态连接库Packet． dll 提供的服务，向应用程序提供完善的监听接口。
由于WinPcap 的主要功能在于独立于主机协议( 如TCP /IP) 来发送和接收原始数据包。即WinPcap 不能阻塞、过滤或者控制其他应用程序数据包的发送，它仅仅只是监听共享网络上传送的数据包。利用WinPcap 驱动程序发出的数据包将不含有IP头和TCP 头，只含有MAC 地址和数据，简化了硬件上的数据帧格式解析。
1． 2 自定义数据帧格式
以太网可以工作在10Mb /s，100Mb /s，1Gb /s等，同时它可以工作于多种传输媒体下，但是所有类型的以太网都有一个统一的帧结构。前导码( 7 字节) 、帧起始定界符( 1 字节) 、目的MAC 地址( 6 字节) 、源MAC 地址( 6 字节) 、类型/长度( 2 字节) 、数据( 46 ～ 1500 字节) 、帧校验序列( 4 字节) 。
如PC 机端使用普通的网口编程方法，会带有IP 头和TCP 头等，给FPGA 端拆包、协议解析带来复杂度。为此采用WinPcap 驱动编程，实现FPGA与PC 网口之间的自定义数据帧格式，使FPGA 端接收到得数据帧格式为类似802． 3 协议的以太网数据包格式，但不会含有IP 头和TCP 头等协议开销，具体如表1 所示。


其中，控制标志用于对FPGA 的寄存器进行设置控制; 校验同标准100Base － T 帧的FCS 域，内容为32bit 的CRC 检验值，检验范围包括目的地址、源地址、控制、信息数据4 个字段。
对以太网进行CRC 运算的数据是并行输入的，要根据PC 上( Windows 操作系统环境) 数据的组织方式对余数进行调整，如果是Big Endian 的组织方式则将余数按位取反得到CRC 数据，如果是Little Endian 的数据组织方式则先要将余数进行位置互换，然后再按位取反。本设计中是Big Endian 的组织方式。
PC 端收发网口数据时，前导码、界定符、帧校验3 项由网卡自动处理。FPGA 端处理网口数据，则要按以上帧格式处理。
2 PC 机端软件设计
在PC 端，软件的编写基于Winpcap 驱动程序。本设计中使用的是Winpcap3． 1 版本，在安装好驱动程序WinPcap_3_1． exe 后，解压缩WpdPack_3_1． zip文件至一自定义目录，现假设为D: \ wpdpack_3 _1下，然后将其中lib 文件下的wpcap． lib 文件复制到所建的工程目录下。
在VC2005 工程属性下，打开C + + 选项，在附加包含目录中，添加刚才WpdPack_3_1． zip解压目录路径，现为d: \wpdpack_3_1 \WpdPack\Include; 在链接器选项中，在输入的附加依赖项中添加wpcap． lib。然后，在需要调用winpcap 函数的CPP 文件的开头，添加#include " pcap． h"。数据包发送与接收流程如图2 所示。


3 FPGA 硬件设计与实现
FPGA 硬件部分采用Xilinx 公司的V5 系列芯片，基于VHDL 硬件描述语言实现。V5 芯片内嵌Tri-mode Ethernet Media Access Controller 硬核，该硬核与RocketIO 联合可以1000Base－X ( 即1000Base－X PCS /PMA) 。
1000BASE-X 物理标准被定义为与一个光学结构媒介相连接的物理子层。当前存在的两种常见方式: 1000BASE－LX 和1000BASE－SX( 长波和短波激光) ，它们都可以通过将RocketIO 连续收发器与适当的GBIC 或SFP 光学收发器相连来得到。本设计采用SFP 与RocketIO 相连接的方案，数据从PC 端网口通过千兆以太网送至SFP 光模块，然后达到FPGA 的RocketIO 模块。
RocketIO 是一种高速的串行收发器，采用两对差分对来进行数据的发送和接收，可以实现两个单工或一对全双工的数据传输。RocketIO 包括PMA( Physical Media Attachment，物理媒介适配层) 和PCS( Physical Coding Sublayer，物理编码子层) 两个子层。其中，PMA 子层主要用于串行化和解串，PCS主要包括线路编码和CRC 校验编码。
MAC 层首先完成源地址和目的地址的解析，并开始对自定义格式的数据帧中相关字段进行CRC校验，若地址正确则输出数据写使能信号，数据加载至FIFO 模块。只有当写使能被声明且FIFO 不满时，数据才从输入bus( DIN) 加载，同时写应答( WR_ACK) 被声明。
FPGA 接收时序如图3 所示。


发送过程是接收过程的逆过程，按自定义的数据帧格式封装数据，只是注意要将最后一个字节的数据校验完后把余数位取反得到CRC 数据，这里不再赘述。
4 结束语
本设计用于一种脉冲雷达通信系统中，实现了PC 机和FPGA 之间的双向高速数据传输，且突发速率达到1Gbit /s。由于采用了自定义的类似802．3协议的以太网数据包格式，有效降低了协议复杂度，且减少了分组包头开销和时延。
作者：王胜杰，王建 来源：信息技术 2011年第8期