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　千兆網(wǎng)絡(luò)接口具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、連接方便、可以即插即用的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用較為廣泛。隨著電子技術(shù)和處理器的發(fā)展，很多應(yīng)用場(chǎng)合的數(shù)據(jù)通信速率超過(guò)千兆網(wǎng)口的實(shí)際傳輸速率。例如，在A/D采樣中，需要直接存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)，如果A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為16位，工作在100MHz，則實(shí)際數(shù)據(jù)量為1.6Gbps。為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸，必須采用更高傳輸速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但這些接口不具有即插即用功能，與很多工業(yè)既有設(shè)備不能直接連接，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。

　　DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）具有較高的工作頻率，其內(nèi)部集成硬件網(wǎng)絡(luò)MAC接口，外接一個(gè)物理層芯片就可以方便地實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)通信。多核DSP芯片可以連接多個(gè)千兆網(wǎng)口，使得其可以應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。本文介紹一種基于多核數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6678的嵌入式雙千兆網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片連接兩個(gè)千兆網(wǎng)口，這兩個(gè)網(wǎng)口可以各自獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)，也可以聯(lián)合傳輸數(shù)據(jù)，提高了實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　1. C6678及其結(jié)構(gòu)

　　TMS320C6678是TI公司多核處理器中的一款8核浮點(diǎn)型DSP，每個(gè)核最高工作頻率可達(dá)1.25GHz，每個(gè)核可以提供40GMAC定點(diǎn)計(jì)算或者20GFLOP浮點(diǎn)計(jì)算能力，單個(gè)芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP計(jì)算能力。TMS320C6678的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　TMS320C6678的每個(gè)核具有32KB的程序、32KB的數(shù)據(jù)以及512KB的2級(jí)Cache存儲(chǔ)空間，芯片片內(nèi)具有一個(gè)4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接尋址范圍達(dá)到8GB。TMS320C6678的片內(nèi)外設(shè)有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C總線等接口。這些接口通過(guò)片內(nèi)的高速互聯(lián)總線和各個(gè)處理器交互數(shù)據(jù)。

　　和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的片內(nèi)設(shè)備如圖1右下角灰色模塊所示，主要包括兩個(gè)對(duì)外的SGMII接口、以太交換和網(wǎng)絡(luò)交換模塊，以及用于數(shù)據(jù)管理的安全加速器和包加速器，可以快速檢測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)以及協(xié)議是否遵循網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)直接丟棄，降低CPU 的負(fù)擔(dān)。為了加快網(wǎng)絡(luò)和CPU的數(shù)據(jù)交換，片內(nèi)的隊(duì)列管理器用于管理網(wǎng)絡(luò)包或者網(wǎng)絡(luò)幀的緩存、分發(fā)等功能。這些數(shù)據(jù)都采用數(shù)據(jù)包DMA讀寫，不需要CPU參與。

　　

　　圖1 TMS320C6678內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　TMS320C6678的其他片內(nèi)設(shè)備包括PLL、仿真口、信號(hào)量、電源管理和復(fù)位管理等模塊。其中PLL配置CPU和外設(shè)的工作時(shí)鐘；仿真口用于連接仿真器，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件運(yùn)行的監(jiān)控；信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP/BIOS操作系統(tǒng)中信號(hào)量的控制；電源管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片電流電壓的控制；復(fù)位管理配置啟動(dòng)的方式，硬復(fù)位進(jìn)行全啟動(dòng)，軟復(fù)位進(jìn)行部分啟動(dòng)。

　　2. 88E1111及其結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)物理層芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口標(biāo)準(zhǔn)之一或者多個(gè)。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678連接的物理層芯片必須具有SGMII接口。本文使用兩片Marvell公司的88E1111 物理層芯片進(jìn)行雙千兆網(wǎng)絡(luò)的連接。88E1111的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　

　　圖2 88E1111內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　網(wǎng)絡(luò)RJ45接口發(fā)送過(guò)來(lái)的帶有調(diào)制數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，然后依次經(jīng)過(guò)均衡、整形濾波和譯碼后由接收單元傳輸?shù)組AC芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。MAC發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整形濾波后由D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送到RJ45接口。為了降低誤碼率，88E1111內(nèi)部具有鎖相環(huán)（PLL）、自動(dòng)增益控制（AGC）、時(shí)序/相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕�在不同環(huán)境或者不同外接設(shè)備下，都可以高速可靠地通信。圖2中的LED控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的燈光顯示，MDIO模塊實(shí)現(xiàn)鏈接建立和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)鐘模塊提供工作時(shí)鐘。

　　3. 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)主要包括TMS320C6678和兩個(gè)88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。

　　TMS320C6678的網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。片內(nèi)集成了一個(gè)3口的以太交換機(jī)，負(fù)責(zé)將兩個(gè)千兆網(wǎng)口的數(shù)據(jù)交換到主機(jī)，同時(shí)提供交換中斷到主機(jī)，主機(jī)通過(guò)中斷可以實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)通過(guò)總線配置或者監(jiān)控外部的物理層芯片，配置和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)MDIO接口連接到物理層芯片。

　　

　　圖3 TMS320C6678網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口TMS320C6678和兩片88E1111的接口電路如圖4所示。TMS320C6678 采用SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）接口，兼容10/100/1000M 工作方式。SGMII為串行數(shù)據(jù)收發(fā)方式，具有較少的引腳連接。從圖4中可以看出，實(shí)際上只有兩對(duì)收發(fā)的差分線，分別連接到對(duì)應(yīng)的88E1111引腳上。讀寫時(shí)鐘隱含在數(shù)據(jù)上傳輸，由硬件自動(dòng)識(shí)別，無(wú)須軟件參與。

　　

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口

　　MDIO和MDCLK 為TMS320C6678內(nèi)部MDIO 模塊的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，用于TMS320C6678和88E1111建立連接，TMS320C6678可以通過(guò)該接口配置88E1111，或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊接口電平為2.5V，而TMS320C6678的MDIO模塊接口電平采用1.8V電壓，所以兩者之間需要增加電壓轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用PCA9306實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，接口電路如圖5所示。

　　

　　圖5 MDIO接口的電壓轉(zhuǎn)換電路

　　需要注意的是，由于存在兩個(gè)88E111芯片，MDIO和MDCLK引腳直接連接到兩個(gè)芯片上，MDIO可以最多控制32個(gè)物理層芯片，物理層芯片地址分別為1~32.88E1111的地址配置如圖6所示。

　　

　　圖6 88E1111的硬件配置

　　表1為對(duì)應(yīng)的配置信息，根據(jù)圖6和表1，可以看出88E111的地址分別為4和8。

　　表1 配置引腳設(shè)置

　　

　　4. 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括硬件初始化、網(wǎng)絡(luò)配置以及數(shù)據(jù)通信流程等。TMS320C6678復(fù)位后的工作流程如圖7所示。首先配置第一個(gè)網(wǎng)口，記錄其狀態(tài)后配置第二個(gè)網(wǎng)口。只要兩個(gè)網(wǎng)口有一個(gè)配置成功，將配置TMS320C6678的EMAC模塊，為成功配置的網(wǎng)口設(shè)置收發(fā)緩沖和收發(fā)任務(wù)。這些配置好后，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)。需要注意的是，在用戶應(yīng)用程序中，需要考慮到網(wǎng)口配置失敗的情況。例如，用戶應(yīng)用程序通過(guò)雙網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳輸1.2Gbps的數(shù)據(jù)，如果一個(gè)網(wǎng)口配置失敗，則應(yīng)用程序應(yīng)有相應(yīng)的機(jī)制將實(shí)時(shí)傳輸速率降低到0.8Gbps以下（單網(wǎng)口實(shí)際傳輸速率可能低于0.8Gbps）。本文硬件系統(tǒng)在沒(méi)有其他任務(wù)開銷情況下，實(shí)測(cè)可以傳輸1.5Gbps的數(shù)據(jù)（傳輸過(guò)程中不考慮錯(cuò)誤，不進(jìn)行重發(fā)）。

　　

　　圖7 數(shù)據(jù)通信流程

　　結(jié)語(yǔ)

　　超過(guò)1Gbps傳輸速率的通信接口一般采用光纖、PCE、PCIe等接口方式。本文采用雙網(wǎng)口方式可以降低設(shè)備要求，和既有設(shè)備方便連接。使用多核DSP提高處理器工作能力，在保證大容量數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，處理器仍然具有對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算能力。雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)方案可以彌補(bǔ)單網(wǎng)口的傳輸速率不足，又可以降低其他接口的硬件復(fù)雜度，是介于兩者之間的有益補(bǔ)充。在嵌入式設(shè)備中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

 

北京太速科技有限公司

基于雙TMS320C6678+雙XC6VSX315T的6U VPX高速數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

 

一、板卡概述

　　板卡由我公司自主研發(fā)，基于VPX架構(gòu)，主體芯片為兩片 TI DSP TMS320C6678,兩片Virtex-6 XC6VSX315T-ff1156 FPGA，1個(gè)RapidIO Switch。FPGA連接FMC子卡。FPGA片外掛接2簇32bit DDRIII SDRAM，最大容量支持2GB。每片F(xiàn)PGA還通過(guò)EMIF總線連接一片TMS320C6678型8核心DSP。所有信號(hào)處理FPGA與DSP均通過(guò)SRIO 4X連接板上一片8端口SRIO 4X交換芯片。DSP芯片外掛最大容量支持2GB的DDRIII SDRAM。兩片DSP之間通過(guò)HyperLink進(jìn)行高速直接互聯(lián)。兩片F(xiàn)PGA之間通過(guò)8X GTX以及若干LVDS信號(hào)互聯(lián)。 
　　 可用于軟件無(wú)線電系統(tǒng)，基帶信號(hào)處理，無(wú)線仿真平臺(tái)，高速圖像采集、處理等。支持熱插拔，設(shè)計(jì)芯片可以滿足工業(yè)級(jí)要求。

二、處理板技術(shù)指標(biāo)

1. SRIO 4X交換網(wǎng)絡(luò)連接兩片DSP以及兩片Virtex-6 FPGA
2. SRIO 4X交換網(wǎng)絡(luò)連接4組SRIO 4X至VPX P1;
3. 具備一個(gè)SRIO 4X交換芯片;
4. 具備高速RocketIO數(shù)據(jù)傳輸鏈路;
5. 具備I2C接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗、狀態(tài)管理;
6. 可以接入VPX P0參考時(shí)鐘進(jìn)行工作;
7. 通過(guò)VPX P0接口定義板卡編號(hào)GA[5:0]，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)MAC，DSP 網(wǎng)絡(luò)均可配置交換功能。
8. 提供2個(gè)FMC子卡接口，每個(gè)FMC子卡接口與一片Virtex-6 XC6VSX315T FPGA連接；
9. 支持熱插拔，工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)。

    FPGA芯片

1. 具備2片F(xiàn)PGA Virtex-6 XC6VSX315T；
2. 兩片Virtex-6 FPGA直接通過(guò)40bit LVDS以及8X GTX互聯(lián)
3. 每片Virtex-6 FPGA與一片DSP連接EMIF總線與中斷資源
4. 每片Virtex-6 FPGA對(duì)VPX連接28bit LVDS
5. 每片Virtex-6 FPGA對(duì)VPX連接12bit LVCMOS-18
6. 每片Virtex-6 FPGA對(duì)VPX連接8X GTX
7. 每片Virtex-6 FPGA通過(guò)60bit LVDS連接一個(gè)FMC-HPC子卡接口
8. 每片Virtex-6 FPGA外掛兩簇32bit最高1GB DDRIII SDRAM
9. 每片Virtex-6 FPGA外掛一片NOR FLASH用于BPI模式加載
10. 每片Virtex-6 FPGA對(duì)外掛一片SPI接口FRAM

 

DSP芯片

1. 內(nèi)建兩片TI DSP TMS320C6678型8核心DSP芯片;
2. 兩片DSP通過(guò)片內(nèi)千兆以太網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián);
3. 一片DSP的千兆以太網(wǎng)1000 BASE-T連接至板端RJ45;
4. 一片DSP的千兆以太網(wǎng)1000 BASE-T連接至VPX P2;

三、軟件系統(tǒng) 
　　 1) 支持PCIe驅(qū)動(dòng)。 
　　 2) 支持千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸，移植LWIP協(xié)議棧，支持ping，TCP、UDP、IP傳輸協(xié)議。 
　　 3) 支持Flash 、PCI Boot引導(dǎo)方式。 
　　 4) 支持RapidIO X4 EDMA 中斷 數(shù)據(jù)傳輸。 
　　 5) FPGA 完整的 DDR2控制、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸。 
　　 6) FPGA Rocket 光纖數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試程序。 
　　 7) DSP與FPGA的RapidIO口 EDMA，同步中斷傳輸，滿足理論速度10Gbps。 
　　 8) 支持FPGA程序采用 Flash、DSP引導(dǎo)加載。 

四、子卡配用：

 

子卡類別	板卡名稱	板卡標(biāo)識(shí)碼
AD/DA子卡	FMC125-基于FMC接口的兩路125Msps AD，兩路160Msps DA子卡模塊	06ADDA000125
	FMC145-四路16位125Msps AD FMC子卡模塊	06ADDA000145
	FMC150-基于FMC接口的2路250Msps AD、2路800Msps DA FMC接口子卡模塊	06ADDA000150
	FMC141-4路 250Msps/16bits ADC, FMC板卡	06ADDA000141
	FMC144-八路14位250MSPS AD FMC-HPC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器板	06ADDA000144
	FMC160-兩路14位400Msps AD，兩路16位1.2Gsps DA FMC子卡模塊	06ADDA000160
	FMC209-基于FMC的4路125MAD輸入、2路1GDA輸出子卡	06ADDA000209
	FMC210-1路1Gsps AD、2路2.5Gsps DA的FMC子卡	06ADDA000210
圖像子卡	基于FMC接口的2路CameraLink輸入子卡模塊	06CamLink088
	基于FMC接口的2路CameraLink輸出子卡模塊	06CamLink095
	基于FMC的8路光纖SFP的子卡模塊	06FMCSFP0154
	基于FMC的2路萬(wàn)兆光纖SFP+子卡模塊	06XFP000165
	基于FMC接口的8路LVDS輸入 1路DVI輸出子卡	06DVILVDS0215
	基于FMC接口的1路full Camera Link輸入 1路HDMI(DVI)輸出子卡	06CamLink216
DSP子卡	基于FMC接口的TI DSP TMS320C6455子卡模塊	06TI6455099
	基于FMC接口的TI DSP TMS320C6748子卡模塊	06C67480162

 

五、物理特性：
　　 尺寸：6U CPCI板卡，大小為160X233.35mm。 
　　 工作溫度：0℃～ +55℃ ，支持工業(yè)級(jí) -40℃～ +85℃ 
　　 工作濕度：10%～80%

六、供電要求: 
　　 雙直流電源供電。整板功耗 50W。 
　　 電壓：+5V 5A ，+3.3V 6A。 
　　 紋波：≤10%

七、應(yīng)用領(lǐng)域
　　軟件無(wú)線電系統(tǒng)，基帶信號(hào)處理，無(wú)線仿真平臺(tái)，高速圖像采集、處理等。

 

 

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