电子技术论文范文基于FPGA的嵌入式千兆网冗余设计

　　嵌入式系统以其架构多样、硬件成本低、小型化、执行效率高等优点，在军事、航天、航空、自动控制等领域得到越来越多的应用。随着时代的发展，嵌入式系统处理的数据量越来越大，系统之间的数据交互量也变得越来越大。因此对系统间的数据接口要求也变得越来越高。千兆以太网以其连接芯线数量少、传输速度高、组网方式灵活、可进行多发多收等优点，在嵌入式系统当中得到越来越多的应用。

　　工程实际主要应用于舰船复杂环境下接收无压缩的高分辨率数字图像，并通过板间总线传输给其它芯片处理。由于高分辨率数字图像不能进行压缩，因此数据量非常大，对网络带宽占用在700Mb/s以上，因此对网络数据吞吐能力要求较高。舰船在复杂环境下对数据安全要求很高，实际设计上要求提供主备IP地址，且每路IP地址都要有两路物理连接，且能自动在毫秒级进行切换。针对以上客观实际要求，我们需要采取特殊的设计方案。

　　1 设计思路优选

　　常见的嵌入式千兆网设计方案主要有以下几种：1.主控芯片+NON-PCI芯片;2.TI公司自带千兆网接口ARM芯片;3.TI公司基于NDK开发库的带千兆网接口的DSP;4.自带千兆网接口的Power pc芯片;5.基于FPGA的千兆网设计。

　　以上方案各自具有不同的优缺点。方案一开发最简便，开发成本最低，但NON-PCI芯片受限于接口形式，无法满足大带宽需求，且NON-PCI芯片只有民用级芯片，无法满足复杂自然环境下的应用;方案二开发难度中等，开发成本中等，但TI已经不再推出ARM芯片，后续产品的研制维护存在困难，切相对其它 ARM芯片厂商，价格偏贵;方案三由于NDK库为基于底层硬件设计，因此开发难度相对较大，且芯片成本、开发工具成本比较高;方案四软件由于芯片支持操作系统，因此开发难度相对较容易，但芯片昂贵，且很少有自带多个网络接口冗余设计不方便;方案五由于FPGA自带有Power pc内核，因此软件开发难度与方案四大体相当，且FPGA内部自带多个三态以太网硬核，因此比较适合进行冗余设计。因此综合以上分析，我们选择FPGA作为实现嵌入式千兆网冗余设计。

　　2 详细设计

　　如表1所示Xilinx公司的Virtex-6芯片含有丰富的资源，它集成了 Power PC处理器和多个Ethernet MACs，因此我们选用Xc6vlx75T作为该FPGA。物理层PHY芯片采用Marvell公司的88E1111，该芯片支持十百千兆以太网自适应协议，并且可以自动监测线路物理连接状态。其连接框图如图1所示。

　　Xc6vlx75T内部集成了多个硬件内核包括MPMC和三态以太网硬核。 MPMC ( Multi-Port Memory Controller )是DDR2内存控制器的IP核，该FPGA可以接6个数据端口，这样的好处是多个设备都可以通过各自的端口共享内存， port0和port1都通过plb总线连接在PowerPC上，分别用于传输指令和数据，port2端口采用的是NPI(Native Port Interface) 口，用于通过板间总线交换用户数据，port3，4采用SDMA (Soft Direct Memory Access)接口，通过locallink总线和千兆网IP核相连。三态以太网内核A通过选通器连接物理层PHY芯片C、D，三态以太网内核B通过选通器连接物理层PHY芯片A、B。FPGA内部各个模块连接如图2所示。

　　3 冗余切换方式

　　由于FPGA内部包含了两个三态以太网IP核，因此上电以后我们需要对这两个IP核进行配置，分别配置主备IP地址给这俩IP核，每个IP核又通过选通器连接两个PHY芯片，从而达到双IP 地址四路物理连接。我们物理层PHY芯片选用88E1111是因为该芯片可以自动检测物理链路的连接状态，并通过专门的引脚反馈出来，因此我们把该引脚接入FPGA，作为状态查询引脚和选通器的控制信号。四个物理层PHY芯片分为两组，每组两个连接在一个三态以太网IP核上，两个PHY芯片的链路反馈状态总计可以组合出四种状态：两链路联通，控制选通器选择第一路PHY;链路一联通，链路二断开，控制选通器选择第一路PHY;链路一断开，链路二联通，控制选通器选择第二路PHY;两链路断开，发送中断信号通知POWER PC使用另一三态以太网IP核。以此类推，工作过程中根据物理层PHY芯片的反馈状态来采取相应操作，从而达到网络的快速冗余切换。

　　4 结语

　　以xilinx Virtex6 FPGA为核心的嵌入式千兆网支持多种网络协议，能够实现千兆以太网通信，并预留了扩展接口，将来可以进行功能扩展，并且该设计方案使用芯片数量少、软件开发难度小、在苛刻的自然环境条件下可以工作。经过实验验证在全速情况下可以接近900M/S的速率，通道切换时间小于1ms，完全满足设计需要。

　　参考文献

　　[1]Xilinx Corporation.XPS LXilinx Corporation，2009.

　　[2]Xilinx Corporation.RefereMode Ethernet MACMicroBlaze and PowerPCCorporation，2008.

　　[3]Xilinx Corporation.Gettin Started Using Git [Z].Xilinx Corporation，2009.