引言
中國(guó)散裂中子源實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)圖如圖1所示，其原理是把中子束打在被測(cè)樣品(例如新藥品或機(jī)翼材料)上，探測(cè)被反射的中子位置就能計(jì)算出樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，其特點(diǎn)如下： A/D采集通道多，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)帶寬高，且需要把現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。因此，要求數(shù)據(jù)傳輸模塊既要成本低、微型化、具備網(wǎng)絡(luò)功能，也要數(shù)據(jù)帶寬高。
圖1 中國(guó)散裂中子源實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖
單片機(jī)或ARM具有微型化、低成本的特點(diǎn)，但數(shù)據(jù)帶寬和靈活性不滿足本項(xiàng)目;工控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，有網(wǎng)絡(luò)接口，但是體積過(guò)大，成本高;傳統(tǒng)高能物理實(shí)驗(yàn)采用的VME系統(tǒng)也因體積大、數(shù)據(jù)帶寬有限而不適合用在中國(guó)散裂中子源實(shí)驗(yàn)上。
FPGA有很高的性能，而且內(nèi)部還集成PowerPC處理器、千兆網(wǎng)MAC等硬核資源，這使得在一塊FPGA上就能構(gòu)建一個(gè)完整的片上系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)體積可以做的很小。在FPGA片內(nèi)PowerPC硬核上移植嵌入式linux操作系統(tǒng)，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議可以解決用FPGA硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議難度大的問(wèn)題。FPGA的高性能、高可靠性和Linux的靈活性完美結(jié)合在一個(gè)片內(nèi)，能較好地滿足本項(xiàng)目的需求。
1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成及層次
本系統(tǒng)可以分為5個(gè)層次，如圖2所示，
最低層為外圍電路硬件層，每一層都是建立在其下一層之上。
2 系統(tǒng)外圍電路的簡(jiǎn)介
本文在硬件上采用了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的電路板，用的是帶PowerPC的xilinx Virtex4 FPGA，電路如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)的硬件模塊框圖
3 SOPC的構(gòu)建
SOPC (System on a Programmable Chip) 即可編程片上系統(tǒng)，把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。
3.1 開發(fā)工具
Xilinx 公司提供了FPGA開發(fā)工具EDK(Embedded Development Kit),它帶有大量可配置可定制的IP核，可以大大提高設(shè)計(jì)的效率，使設(shè)計(jì)者把主要精力放在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)上，能很方便的對(duì)FPGA進(jìn)行模塊化的重構(gòu)和裁剪，提高設(shè)計(jì)的靈活性，減少了外圍器件，符合SOPC的思想。
3.2 SOPC的總體構(gòu)成
SOPC系統(tǒng)構(gòu)建完成后的框圖如圖4所示，其中PowerPC405是已經(jīng)固化在FPGA內(nèi)部的硬核，工作頻率設(shè)為300MHz，配置時(shí)要選擇cache選項(xiàng)，否則運(yùn)行嵌入式Linux會(huì)很慢。PowerPC405通過(guò)PLB(Process Local Bus)總線核和各個(gè)IP模塊互聯(lián)構(gòu)建了一個(gè)完整的SOPC系統(tǒng)。
圖4 FPGA內(nèi)部各個(gè)IP模塊框圖
3.3 內(nèi)存端口的設(shè)置
MPMC (Multi-Port Memory Controller)是DDR2內(nèi)存控制器的IP核，它最多可以接八個(gè)數(shù)據(jù)端口，這樣的好處是多個(gè)設(shè)備都可以通過(guò)各自的端口共享內(nèi)存，本論文使用了四個(gè)端口：port0和port1都通過(guò)plb總線連接在PowerPC上，分別用于傳輸指令和數(shù)據(jù)，port2端口采用的是NPI(Native Port Interface)接口，用于接收A/D模塊傳輸過(guò)來(lái)的用戶數(shù)據(jù)，port3采用SDMA (Soft Direct Memory Access)接口，通過(guò)locallink總線和千兆網(wǎng)IP核相連。在對(duì)MPMC配置時(shí)要根據(jù)內(nèi)存的型號(hào)、大小等實(shí)際參數(shù)來(lái)設(shè)置。
3.4 用戶自定義數(shù)據(jù)接口IP核
開發(fā)工具雖然提供了一些常用的IP核，但是對(duì)于一些特定要求的邏輯，需要用戶自己開發(fā)。由于從A/D采集板傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)速度很大，所以本論文在MPMC 的port2上采用NPI接口把A/D模塊傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)直接送入DDR2中。需要用硬件描述語(yǔ)言編寫基于NPI接口的邏輯，并且還要編寫基于PLB總線的IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲鐢?shù)據(jù)傳輸開始與停止、握手方式、數(shù)據(jù)包的大小等等。
3.5 千兆三態(tài)以太網(wǎng)硬核的配置
三態(tài)以太網(wǎng)TEMAC (Tri-Mode Ethernet Media Access Controller)是嵌在FPGA內(nèi)部的硬核。本論文通過(guò)LocalLink總線使其連在內(nèi)存控制器MPMC上，采用SDMA方式，使得數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存到網(wǎng)絡(luò)接口而不必經(jīng)過(guò)PowerPC的搬運(yùn), 這樣在很大程度上減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。
4 板級(jí)支持包的生成
4.1板級(jí)支持包工具的選擇和設(shè)置
先在http://git.xilinx.com/網(wǎng)站上下載device-tree.git，它是板級(jí)支持包(BSP)生成工具。解壓后放在EDK安裝目錄下的EDKswlibbsp，之后點(diǎn)擊Software-->
Software Platform Settings就可以發(fā)現(xiàn)并選擇它了，如圖5所示。
圖5 板級(jí)支持包工具的選擇
在device-tree下要把 bootargs的設(shè)置成console=ttyUL0，而不是默認(rèn)的console =ttyS0，否則超級(jí)終端將沒有輸出。這是因?yàn)槲覀冊(cè)谡{(diào)試時(shí)需要RS232串口作為超級(jí)終端，用的是XPS UART Lite核，但板級(jí)支持包默認(rèn)的卻是UART16500核。
4.2 dts(device tree)文件的生成
xilinx.dts文件是板級(jí)支持包工具device tree生成的，它記錄了硬件信息。正是這個(gè)文件的存在操作系統(tǒng)才能知道本系統(tǒng)有哪些硬件及其屬性。在EDK菜單中選擇Software-->generate Libraries and BSP就會(huì)生成xilinx.dts文件。
5嵌入式Linux的移植
5.1安裝用于PowerPC的交叉編譯鏈并設(shè)置環(huán)境變量
先下載并安裝德國(guó)DENX公司提供的開發(fā)環(huán)境編譯套件ELDK4.1，用source 命令設(shè)置路徑和交叉編譯環(huán)境變量，再用export ARCH=powerpc命令使其支持PowerPC架構(gòu)。
5.2 準(zhǔn)備Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)
這不是一般的Linux內(nèi)核，而是專門針對(duì)Xilinx FPGA的linux-2.6-xlnx.git。可以到git.xilinx.com網(wǎng)站下載最新版本的Linux內(nèi)核。在http://xilinx.wikidot.com/網(wǎng)上下載根文件系統(tǒng)鏡像壓縮文件ramdisk.image.gz，把ramdisk.image.gz拷貝到內(nèi)核文件夾的arch/powerpc/boot文件夾中。
5.3準(zhǔn)備 device tree文件
需要把把EDK工程中板級(jí)支持包工具生成的xilinx.dts復(fù)制到嵌入式Linux內(nèi)核文件夾arch/powerpc/boot/dts中，這樣linux才能根據(jù)這個(gè)文件給硬件設(shè)備添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。
5.4內(nèi)核的裁剪與定制
用命令make 40x/ virtex4_defconfig載入ML405開發(fā)板的內(nèi)核配置，再用make menuconfig打開內(nèi)核定制圖形界面進(jìn)行裁剪和定制，使?jié)M足自己的特定需求，需要選上TCP/IP協(xié)議。如果需要調(diào)試就要把串口驅(qū)動(dòng) xilinx uartlite serial port support選上。這樣才能使用RS2323作為超級(jí)終端。保存配置后用make zImage命令就可以生成內(nèi)核鏡像文件了。
6 測(cè)試結(jié)果與分析
在EDK中選把硬件文件燒錄到FPGA中， 把Linux鏡像文件下載到內(nèi)存中運(yùn)行,這樣一個(gè)系統(tǒng)就能運(yùn)行起來(lái)了。編寫一個(gè)基于socket的網(wǎng)絡(luò)通信程序，把FPGA作為客戶端，把PC機(jī)作為服務(wù)器端，從FPGA不斷的向PC發(fā)送基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，來(lái)測(cè)試每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小和傳輸速度之間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小為30000Byte時(shí)，用tcp/ip協(xié)議傳輸?shù)乃俾适?0Mb/s,用udp協(xié)議傳輸?shù)乃俾适?35Mb/s。
在一定范圍內(nèi)，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包越大，則網(wǎng)絡(luò)傳輸速率就越大。傳輸?shù)乃俣燃磁cpowerpc、內(nèi)存、內(nèi)部總線的頻率及位寬有關(guān)系，也與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序有關(guān)系。
7結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)的介紹了基于Linux和FPGA的嵌入式千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法，測(cè)試結(jié)果表明傳輸速度能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于FPGA和linux都具有很大的靈活性,會(huì)給將來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)和變更帶來(lái)很大方便。