基于嵌入式Linux和FPGA的千兆网数据传输的实现

引言

中国散裂中子源实验的简图如图1所示，其原理是把中子束打在被测样品(例如新药品或机翼材料)上，探测被反射的中子位置就能计算出样品的内部结构图像，其特点如下： A/D采集通道多，每个通道的数据带宽高，且需要把现场采集的数据传到远程服务器上。因此，要求数据传输模块既要成本低、微型化、具备网络功能，也要数据带宽高。

图1 中国散裂中子源实验简图

单片机或ARM具有微型化、低成本的特点，但数据带宽和灵活性不满足本项目;工控计算机数据处理能力强，有网络接口，但是体积过大，成本高;传统高能物理实验采用的VME系统也因体积大、数据带宽有限而不适合用在中国散裂中子源实验上。

FPGA有很高的性能，而且内部还集成PowerPC处理器、千兆网MAC等硬核资源，这使得在一块FPGA上就能构建一个完整的片上系统，使整个系统体积可以做的很小。在FPGA片内PowerPC硬核上移植嵌入式linux操作系统，用软件来实现网络传输协议可以解决用FPGA硬件描述语言实现TCP/IP协议难度大的问题。FPGA的高性能、高可靠性和Linux的灵活性完美结合在一个片内，能较好地满足本项目的需求。

1 系统的总体构成及层次

本系统可以分为5个层次，如图2所示，

最低层为外围电路硬件层，每一层都是建立在其下一层之上。

2 系统外围电路的简介

本文在硬件上采用了实验室自行设计的电路板，用的是带PowerPC的xilinx Virtex4 FPGA，电路如图3所示。

图3 系统的硬件模块框图

3 SOPC的构建

SOPC (System on a Programmable Chip) 即可编程片上系统，把整个系统放到一块硅片上，是一种特殊的嵌入式系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

3.1 开发工具

Xilinx 公司提供了FPGA开发工具EDK(Embedded Development Kit),它带有大量可配置可定制的IP核，可以大大提高设计的效率，使设计者把主要精力放在设计系统架构上，能很方便的对FPGA进行模块化的重构和裁剪，提高设计的灵活性，减少了外围器件，符合SOPC的思想。

3.2 SOPC的总体构成

SOPC系统构建完成后的框图如图4所示，其中PowerPC405是已经固化在FPGA内部的硬核，工作频率设为300MHz，配置时要选择cache选项，否则运行嵌入式Linux会很慢。PowerPC405通过PLB(Process Local Bus)总线核和各个IP模块互联构建了一个完整的SOPC系统。

图4 FPGA内部各个IP模块框图