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　千兆網絡接口具有數據傳輸速率快、連接方便、可以即插即用的優點，使得其應用較為廣泛。隨著電子技術和處理器的發展，很多應用場合的數據通信速率超過千兆網口的實際傳輸速率。例如，在A/D采樣中，需要直接存儲A/D轉換的采樣數據，如果A/D轉換位數為16位，工作在100MHz，則實際數據量為1.6Gbps。為了實現高速傳輸，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，與很多工業既有設備不能直接連接，限制了其應用場合。

　　DSP（數字信號處理器）具有較高的工作頻率，其內部集成硬件網絡MAC接口，外接一個物理層芯片就可以方便地實現千兆網絡通信。多核DSP芯片可以連接多個千兆網口，使得其可以應用到高速數據傳輸場合。本文介紹一種基于多核數字信號處理器TMS320C6678的嵌入式雙千兆網絡接口，實現單個芯片連接兩個千兆網口，這兩個網口可以各自獨立傳輸數據，也可以聯合傳輸數據，提高了實際的數據傳輸速率。

　　1. C6678及其結構

　　TMS320C6678是TI公司多核處理器中的一款8核浮點型DSP，每個核最高工作頻率可達1.25GHz，每個核可以提供40GMAC定點計算或者20GFLOP浮點計算能力，單個芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP計算能力。TMS320C6678的片內結構如圖1所示。

　　TMS320C6678的每個核具有32KB的程序、32KB的數據以及512KB的2級Cache存儲空間，芯片片內具有一個4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接尋址范圍達到8GB。TMS320C6678的片內外設有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C總線等接口。這些接口通過片內的高速互聯總線和各個處理器交互數據。

　　和網絡相關的片內設備如圖1右下角灰色模塊所示，主要包括兩個對外的SGMII接口、以太交換和網絡交換模塊，以及用于數據管理的安全加速器和包加速器，可以快速檢測數據的校驗以及協議是否遵循網絡標準，對于錯誤的數據直接丟棄，降低CPU 的負擔。為了加快網絡和CPU的數據交換，片內的隊列管理器用于管理網絡包或者網絡幀的緩存、分發等功能。這些數據都采用數據包DMA讀寫，不需要CPU參與。

　　

　　圖1 TMS320C6678內部結構圖

　　TMS320C6678的其他片內設備包括PLL、仿真口、信號量、電源管理和復位管理等模塊。其中PLL配置CPU和外設的工作時鐘；仿真口用于連接仿真器，實現對軟件運行的監控；信號量實現對DSP/BIOS操作系統中信號量的控制；電源管理實現整個芯片電流電壓的控制；復位管理配置啟動的方式，硬復位進行全啟動，軟復位進行部分啟動。

　　2. 88E1111及其結構

　　網絡物理層芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口標準之一或者多個。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 物理層芯片進行雙千兆網絡的連接。88E1111的片內結構如圖2所示。

　　

　　圖2 88E1111內部結構圖

　　網絡RJ45接口發送過來的帶有調制數據的模擬信號經過A/D轉換變成數字信號，然后依次經過均衡、整形濾波和譯碼后由接收單元傳輸到MAC芯片，實現數據的接收。MAC發送的數據經過整形濾波后由D/A轉換成模擬信號發送到RJ45接口。為了降低誤碼率，88E1111內部具有鎖相環（PLL）、自動增益控制（AGC）、時序/相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數據傳輸的可靠性，在不同環境或者不同外接設備下，都可以高速可靠地通信。圖2中的LED控制模塊實現數據傳輸時的燈光顯示，MDIO模塊實現鏈接建立和狀態監測，時鐘模塊提供工作時鐘。

　　3. 硬件設計

　　硬件設計主要包括TMS320C6678和兩個88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置設計等幾個部分。

　　TMS320C6678的網絡模塊結構如圖3所示。片內集成了一個3口的以太交換機，負責將兩個千兆網口的數據交換到主機，同時提供交換中斷到主機，主機通過中斷可以實時接收和發送數據。主機通過總線配置或者監控外部的物理層芯片，配置和監控數據通過MDIO接口連接到物理層芯片。

　　

　　圖3 TMS320C6678網絡模塊結構

　　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為串行數據收發方式，具有較少的引腳連接。從圖4中可以看出，實際上只有兩對收發的差分線，分別連接到對應的88E1111引腳上。讀寫時鐘隱含在數據上傳輸，由硬件自動識別，無須軟件參與。

　　

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口

　　MDIO和MDCLK 為TMS320C6678內部MDIO 模塊的數據和時鐘，用于TMS320C6678和88E1111建立連接，TMS320C6678可以通過該接口配置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換芯片，本設計采用PCA9306實現電壓轉換，接口電路如圖5所示。

　　

　　圖5 MDIO接口的電壓轉換電路

　　需要注意的是，由于存在兩個88E111芯片，MDIO和MDCLK引腳直接連接到兩個芯片上，MDIO可以最多控制32個物理層芯片，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為對應的配置信息，根據圖6和表1，可以看出88E111的地址分別為4和8。

　　表1 配置引腳設置

　　

　　4. 軟件設計

　　系統軟件設計包括硬件初始化、網絡配置以及數據通信流程等。TMS320C6678復位后的工作流程如圖7所示。首先配置第一個網口，記錄其狀態后配置第二個網口。只要兩個網口有一個配置成功，將配置TMS320C6678的EMAC模塊，為成功配置的網口設置收發緩沖和收發任務。這些配置好后，就可以實現網絡的數據收發。需要注意的是，在用戶應用程序中，需要考慮到網口配置失敗的情況。例如，用戶應用程序通過雙網口實時傳輸1.2Gbps的數據，如果一個網口配置失敗，則應用程序應有相應的機制將實時傳輸速率降低到0.8Gbps以下（單網口實際傳輸速率可能低于0.8Gbps）。本文硬件系統在沒有其他任務開銷情況下，實測可以傳輸1.5Gbps的數據（傳輸過程中不考慮錯誤，不進行重發）。

　　

　　圖7 數據通信流程

　　結語

　　超過1Gbps傳輸速率的通信接口一般采用光纖、PCE、PCIe等接口方式。本文采用雙網口方式可以降低設備要求，和既有設備方便連接。使用多核DSP提高處理器工作能力，在保證大容量數據傳輸過程中，處理器仍然具有對數據的計算能力。雙網口設計方案可以彌補單網口的傳輸速率不足，又可以降低其他接口的硬件復雜度，是介于兩者之間的有益補充。在嵌入式設備中具有一定的應用價值。

 

北京太速科技有限公司

基于雙TMS320C6678+雙XC6VSX315T的6U VPX高速數據處理平臺

 

一、板卡概述

　　板卡由我公司自主研發，基于VPX架構，主體芯片為兩片 TI DSP TMS320C6678,兩片Virtex-6 XC6VSX315T-ff1156 FPGA，1個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FPGA還通過EMIF總線連接一片TMS320C6678型8核心DSP。所有信號處理FPGA與DSP均通過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HyperLink進行高速直接互聯。兩片FPGA之間通過8X GTX以及若干LVDS信號互聯。 
　　 可用于軟件無線電系統，基帶信號處理，無線仿真平臺，高速圖像采集、處理等。支持熱插拔，設計芯片可以滿足工業級要求。

二、處理板技術指標

1. SRIO 4X交換網絡連接兩片DSP以及兩片Virtex-6 FPGA
2. SRIO 4X交換網絡連接4組SRIO 4X至VPX P1;
3. 具備一個SRIO 4X交換芯片;
4. 具備高速RocketIO數據傳輸鏈路;
5. 具備I2C接口，實現系統功耗、狀態管理;
6. 可以接入VPX P0參考時鐘進行工作;
7. 通過VPX P0接口定義板卡編號GA[5:0]，并設置網絡MAC，DSP 網絡均可配置交換功能。
8. 提供2個FMC子卡接口，每個FMC子卡接口與一片Virtex-6 XC6VSX315T FPGA連接；
9. 支持熱插拔，工業級設計。

    FPGA芯片

1. 具備2片FPGA Virtex-6 XC6VSX315T；
2. 兩片Virtex-6 FPGA直接通過40bit LVDS以及8X GTX互聯
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VPX連接28bit LVDS
5. 每片Virtex-6 FPGA對VPX連接12bit LVCMOS-18
6. 每片Virtex-6 FPGA對VPX連接8X GTX
7. 每片Virtex-6 FPGA通過60bit LVDS連接一個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對外掛一片SPI接口FRAM

 

DSP芯片

1. 內建兩片TI DSP TMS320C6678型8核心DSP芯片;
2. 兩片DSP通過片內千兆以太網交換網絡互聯;
3. 一片DSP的千兆以太網1000 BASE-T連接至板端RJ45;
4. 一片DSP的千兆以太網1000 BASE-T連接至VPX P2;

三、軟件系統 
　　 1) 支持PCIe驅動。 
　　 2) 支持千兆網絡傳輸，移植LWIP協議棧，支持ping，TCP、UDP、IP傳輸協議。 
　　 3) 支持Flash 、PCI Boot引導方式。 
　　 4) 支持RapidIO X4 EDMA 中斷 數據傳輸。 
　　 5) FPGA 完整的 DDR2控制、網絡數據收發傳輸。 
　　 6) FPGA Rocket 光纖數據傳輸測試程序。 
　　 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引導加載。 

四、子卡配用：

 

子卡類別	板卡名稱	板卡標識碼
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模擬數字轉換器板	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℃ ，支持工業級 -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、應用領域
　　軟件無線電系統，基帶信號處理，無線仿真平臺，高速圖像采集、處理等。

 

 

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