《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的万兆以太网UDP协议通信接口设计
2022年电子技术应用第10期
赵世超，左金印，魏 骁，赵 哲
华北计算机系统工程研究所，北京100083
摘要： 针对嵌入式设备迅速增长的数据传输需求，介绍了一种依托于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)平台，以光纤为传输媒介的万兆UDP/IP协议通信接口模块，并探究引入分支预测机制对通信接口模块发送时延产生的影响。通过对现有网络接口层、网际层、传输层和应用层典型传输模型的深入研究，使用硬件描述语言，模块化设计ARP控制器、IP控制器和UDP控制器，实现完备的UDP/IP通信接口模块，并评估了引入分支预测机制对通信接口模块发送时延产生的影响。分析表明：该设计实现简单，适配嵌入式设备对高带宽、低延时、资源低占用的需求，具备自主维护ARP表的能力，支持多设备级联。该设计在高速数据采集、远距离信息传输、片上数据高速处理等应用场景具有积极的意义。
中圖分類號： TN919
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222620
中文引用格式： 趙世超，左金印，魏驍，等. 基于FPGA的萬兆以太網(wǎng)UDP協(xié)議通信接口設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(10)：113-117，122.
英文引用格式： Zhao Shichao，Zuo Jinyin，Wei Xiao，et al. Design of 10 gigabit ethernet UDP communication module based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：113-117，122.
Design of 10 gigabit ethernet UDP communication module based on FPGA
Zhao Shichao，Zuo Jinyin，Wei Xiao，Zhao Zhe
National Computer System Engineering Research Institute of China，Beijing 100083，China
Abstract： In order to solve the rapidly growing data transmission problem for embedded devices, this paper introduces a 10 gigabit UDP/IP protocol communication module, which relies on the Field Programmable Gate Array(FPGA) platform and uses optical fiber as the transmission medium，and explores the impact of introducing the branch prediction mechanism on the transmission delay of the communication interface module. Through in-depth research on the typical transmission model of the existing Open Systems Interconnection(OSI)，using hardware description language, the ARP controller, IP controller and UDP controller are modularly designed to form a complete UDP/IP communication module. And the influence of introducing the branch prediction mechanism on the transmission delay of the communication module is evaluated. The analysis shows that the design is simple to implement and adapts to the requirements of embedded devices for high bandwidth, low latency and low resource occupation. It maintains the ARP table independently and supports multi-device cascading. It has positive significance in application scenarios such as high-speed data acquisition, long-distance information transmission, and high-speed processing of on-chip data.
Key words : FPGA；fiber-optic communication；10 gigabit ethernet；UDP/IP protocol；branch prediction

0 引言

    伴隨萬物互聯(lián)時(shí)代的臨近，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用得到空前發(fā)展，嵌入式電子設(shè)備接入局域網(wǎng)的需求迅速增加。網(wǎng)路傳輸帶寬不斷提高也使得一些特定的領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求。遠(yuǎn)距離通信領(lǐng)域需要更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和更強(qiáng)的抗干擾能力，用于保障其通信的質(zhì)量和可靠性。工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲和更大的數(shù)據(jù)吞吐容量，用于確保其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和完整性。片上數(shù)據(jù)高速處理領(lǐng)域需要通用化的數(shù)據(jù)傳輸接口，用以增加其可擴(kuò)展性。然而，嵌入式設(shè)備上廣泛使用的CPU和MCU，礙于設(shè)計(jì)體積小、設(shè)計(jì)功耗低等原因，計(jì)算能力的提升速度并不像互聯(lián)網(wǎng)帶寬那樣明顯，并且其差距有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢[1]。過高的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率會過度消耗CPU寶貴的計(jì)算資源。在服務(wù)器平臺上，國外學(xué)者提出的TCP/IP卸載引擎(TCP Offload Engine)技術(shù)是被廣泛接受的解決方案，即使用TOE芯片硬件網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議接口硬件化的技術(shù)來減輕CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)[2]。在嵌入式平臺上，F(xiàn)PGA從仿真、優(yōu)化到在線調(diào)試都很便捷，在不改變外圍電路的情況下可綜合出不同的電路功能，具有集成度高、設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)，成為以太網(wǎng)協(xié)議硬件化平臺的首選[3]。




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作者信息：

趙世超，左金印，魏  驍，趙  哲

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083)




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