基于FPGA的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)鐘同步的方法研究.pdf

1、本文介紹了一種使用FPGA可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硬件協(xié)議的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘同步方法。并且介紹了其原理驗(yàn)證系統(tǒng)(稱為HSDN系統(tǒng):High-SpeedData Node)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果。
　　 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在當(dāng)前的信息時(shí)代具有無(wú)可爭(zhēng)辯的重要性。在各種不同的場(chǎng)合中，人們需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備無(wú)差錯(cuò)地傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備上。對(duì)于設(shè)備間距離較近的場(chǎng)合，人們可以選擇PCIe(典型距離是15～30cm)或者USB(最長(zhǎng)傳輸距離5m)等總線接

2、口。而對(duì)于距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，人們可以選擇RS232、RS485、以太網(wǎng)等傳輸介質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)上層協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性，在實(shí)際中通常由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。上層協(xié)議通常是用檢錯(cuò)重傳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如TFTP、TCP/IP、SCTP、以及可靠UDP等。這些協(xié)議都必須依靠較為復(fù)雜的CPU運(yùn)算和內(nèi)存拷貝來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)墓δ?。比如在Linux下，TCP/IP協(xié)議每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包CPU需要執(zhí)行約14000條指令。因

3、此CPU的工作頻率，內(nèi)存的讀寫(xiě)速度，硬件I/O帶寬都會(huì)影響TCP/IP的速度。
　　 很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸往往發(fā)生在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和局域網(wǎng)傳輸中，在這種情況下不需要完善的路由機(jī)制和流量控制，但同樣需要一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議依賴CPU運(yùn)算的特性，使得傳輸速度受到限制，并且受CPU負(fù)荷變化影響而速率不穩(wěn)定。從提高傳輸效率、穩(wěn)定性和減輕對(duì)CPU依賴的多方面考慮，本論文提出了一個(gè)基于硬件實(shí)現(xiàn)的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，將C

4、PU從頻繁的協(xié)議運(yùn)算中解放出來(lái)。該方法使用各種成熟技術(shù):我們可以在千兆以太網(wǎng)PHY所提供的物理層通信鏈路的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)編寫(xiě)FPGA邏輯，在硬件上實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，然后使用如PCIe這樣的接口將數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
　　 另一方面，時(shí)鐘同步是一個(gè)多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中常常需要考慮的問(wèn)題。比如在采集網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)采集站節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)開(kāi)始采集，然后按照一定秩序傳輸數(shù)據(jù)。因而網(wǎng)絡(luò)中的的不同節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)施需要協(xié)作的動(dòng)作。通

5、過(guò)的IEEE1588協(xié)議的分析，我們發(fā)現(xiàn)，協(xié)議的同步精度來(lái)源于對(duì)同步幀到達(dá)和發(fā)出的時(shí)間的精確記錄。一般運(yùn)行于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588協(xié)議使用軟件計(jì)時(shí)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較復(fù)雜的情況下，軟件計(jì)時(shí)的方法迎入?yún)f(xié)議抖動(dòng)等不確定因素，無(wú)法精確記錄同步幀的發(fā)出、接受時(shí)間戳信息。因此，使用硬件記錄時(shí)間戳對(duì)于同步精度的提高有很大的意義。使用硬件在相對(duì)底層的位置記錄幀到達(dá)和發(fā)出的時(shí)間，具有極高的穩(wěn)定性，因而可以極大地提高同步精度。
　　 對(duì)HS