八核浮点型DSP的双千兆网接口设计方案

　　千兆网络接口具有数据传输速率快、连接方便、可以即插即用的优点，使得其应用较为广泛。随着电子技术和处理器的发展，很多应用场合的数据通信速率超过千兆网口的实际传输速率。例如，在A/D采样中，需要直接存储A/D转换的采样数据，如果A/D转换位数为16位，工作在100MHz，则实际数据量为1.6Gbps。为了实现高速传输，必须采用更高传输速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但这些接口不具有即插即用功能，与很多工业既有设备不能直接连接，限制了其应用场合。

　　DSP（数字信号处理器）具有较高的工作频率，其内部集成硬件网络MAC接口，外接一个物理层芯片就可以方便地实现千兆网络通信。多核DSP芯片可以连接多个千兆网口，使得其可以应用到高速数据传输场合。本文介绍一种基于多核数字信号处理器TMS320C6678的嵌入式双千兆网络接口，实现单个芯片连接两个千兆网口，这两个网口可以各自独立传输数据，也可以联合传输数据，提高了实际的数据传输速率。

　　1. C6678及其结构

　　TMS320C6678是TI公司多核处理器中的一款8核浮点型DSP，每个核最高工作频率可达1.25GHz，每个核可以提供40GMAC定点计算或者20GFLOP浮点计算能力，单个芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP计算能力。TMS320C6678的片内结构如图1所示。

　　TMS320C6678的每个核具有32KB的程序、32KB的数据以及512KB的2级Cache存储空间，芯片片内具有一个4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接寻址范围达到8GB。TMS320C6678的片内外设有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C总线等接口。这些接口通过片内的高速互联总线和各个处理器交互数据。

　　和网络相关的片内设备如图1右下角灰色模块所示，主要包括两个对外的SGMII接口、以太交换和网络交换模块，以及用于数据管理的安全加速器和包加速器，可以快速检测数据的校验以及协议是否遵循网络标准，对于错误的数据直接丢弃，降低CPU 的负担。为了加快网络和CPU的数据交换，片内的队列管理器用于管理网络包或者网络帧的缓存、分发等功能。这些数据都采用数据包DMA读写，不需要CPU参与。

　　

　　图1 TMS320C6678内部结构图

　　TMS320C6678的其他片内设备包括PLL、仿真口、信号量、电源管理和复位管理等模块。其中PLL配置CPU和外设的工作时钟；仿真口用于连接仿真器，实现对软件运行的监控；信号量实现对DSP/BIOS操作系统中信号量的控制；电源管理实现整个芯片电流电压的控制；复位管理配置启动的方式，硬复位进行全启动，软复位进行部分启动。

　　2. 88E1111及其结构

　　网络物理层芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口标准之一或者多个。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678连接的物理层芯片必须具有SGMII接口。本文使用两片Marvell公司的88E1111 物理层芯片进行双千兆网络的连接。88E1111的片内结构如图2所示。

　　

　　图2 88E1111内部结构图

　　网络RJ45接口发送过来的带有调制数据的模拟信号经过A/D转换变成数字信号，然后依次经过均衡、整形滤波和译码后由接收单元传输到MAC芯片，实现数据的接收。MAC发送的数据经过整形滤波后由D/A转换成模拟信号发送到RJ45接口。为了降低误码率，88E1111内部具有锁相环（PLL）、自动增益控制（AGC）、时序/相位控制、回音抵消等模块，这些模块都是为了提高数据传输的可靠性，在不同环境或者不同外接设备下，都可以高速可靠地通信。图2中的LED控制模块实现数据传输时的灯光显示，MDIO模块实现链接建立和状态监测，时钟模块提供工作时钟。

　　3. 硬件设计

　　硬件设计主要包括TMS320C6678和两个88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置设计等几个部分。

　　TMS320C6678的网络模块结构如图3所示。片内集成了一个3口的以太交换机，负责将两个千兆网口的数据交换到主机，同时提供交换中断到主机，主机通过中断可以实时接收和发送数据。主机通过总线配置或者监控外部的物理层芯片，配置和监控数据通过MDIO接口连接到物理层芯片。

　　

　　图3 TMS320C6678网络模块结构

　　图4 TMS320C6678和88E1111的接口TMS320C6678和两片88E1111的接口电路如图4所示。TMS320C6678 采用SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）接口，兼容10/100/1000M 工作方式。SGMII为串行数据收发方式，具有较少的引脚连接。从图4中可以看出，实际上只有两对收发的差分线，分别连接到对应的88E1111引脚上。读写时钟隐含在数据上传输，由硬件自动识别，无须软件参与。

　　

　　图4 TMS320C6678和88E1111的接口

　　MDIO和MDCLK 为TMS320C6678内部MDIO 模块的数据和时钟，用于TMS320C6678和88E1111建立连接，TMS320C6678可以通过该接口配置88E1111，或者读取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模块接口电平为2.5V，而TMS320C6678的MDIO模块接口电平采用1.8V电压，所以两者之间需要增加电压转换芯片，本设计采用PCA9306实现电压转换，接口电路如图5所示。

　　

　　图5 MDIO接口的电压转换电路

　　需要注意的是，由于存在两个88E111芯片，MDIO和MDCLK引脚直接连接到两个芯片上，MDIO可以最多控制32个物理层芯片，物理层芯片地址分别为1~32.88E1111的地址配置如图6所示。

　　

　　图6 88E1111的硬件配置

　　表1为对应的配置信息，根据图6和表1，可以看出88E111的地址分别为4和8。

　　表1 配置引脚设置

　　

　　4. 软件设计

　　系统软件设计包括硬件初始化、网络配置以及数据通信流程等。TMS320C6678复位后的工作流程如图7所示。首先配置第一个网口，记录其状态后配置第二个网口。只要两个网口有一个配置成功，将配置TMS320C6678的EMAC模块，为成功配置的网口设置收发缓冲和收发任务。这些配置好后，就可以实现网络的数据收发。需要注意的是，在用户应用程序中，需要考虑到网口配置失败的情况。例如，用户应用程序通过双网口实时传输1.2Gbps的数据，如果一个网口配置失败，则应用程序应有相应的机制将实时传输速率降低到0.8Gbps以下（单网口实际传输速率可能低于0.8Gbps）。本文硬件系统在没有其他任务开销情况下，实测可以传输1.5Gbps的数据（传输过程中不考虑错误，不进行重发）。

　　

　　图7 数据通信流程

　　结语

　　超过1Gbps传输速率的通信接口一般采用光纤、PCE、PCIe等接口方式。本文采用双网口方式可以降低设备要求，和既有设备方便连接。使用多核DSP提高处理器工作能力，在保证大容量数据传输过程中，处理器仍然具有对数据的计算能力。双网口设计方案可以弥补单网口的传输速率不足，又可以降低其他接口的硬件复杂度，是介于两者之间的有益补充。在嵌入式设备中具有一定的应用价值。

北京太速科技有限公司

基于双TMS320C6678+双XC6VSX315T的6U VPX高速数据处理平台

 

一、板卡概述

　　板卡由我公司自主研发，基于VPX架构，主体芯片为两片 TI DSP TMS320C6678,两片Virtex-6 XC6VSX315T-ff1156 FPGA，1个RapidIO Switch。FPGA连接FMC子卡。FPGA片外挂接2簇32bit DDRIII SDRAM，最大容量支持2GB。每片FPGA还通过EMIF总线连接一片TMS320C6678型8核心DSP。所有信号处理FPGA与DSP均通过SRIO 4X连接板上一片8端口SRIO 4X交换芯片。DSP芯片外挂最大容量支持2GB的DDRIII SDRAM。两片DSP之间通过HyperLink进行高速直接互联。两片FPGA之间通过8X GTX以及若干LVDS信号互联。
　　
可用于软件无线电系统，基带信号处理，无线仿真平台，高速图像采集、处理等。支持热插拔，设计芯片可以满足工业级要求。

二、处理板技术指标

1. SRIO 4X交换网络连接两片DSP以及两片Virtex-6 FPGA
2. SRIO 4X交换网络连接4组SRIO 4X至VPX P1;
3. 具备一个SRIO 4X交换芯片;
4. 具备高速RocketIO数据传输链路;
5. 具备I2C接口，实现系统功耗、状态管理;
6. 可以接入VPX P0参考时钟进行工作;
7. 通过VPX P0接口定义板卡编号GA[5:0]，并设置网络MAC，DSP 网络均可配置交换功能。
8. 提供2个FMC子卡接口，每个FMC子卡接口与一片Virtex-6 XC6VSX315T FPGA连接；
9. 支持热插拔，工业级设计。

    FPGA芯片

1. 具备2片FPGA Virtex-6 XC6VSX315T；
2. 两片Virtex-6 FPGA直接通过40bit LVDS以及8X GTX互联
3. 每片Virtex-6 FPGA与一片DSP连接EMIF总线与中断资源
4. 每片Virtex-6 FPGA对VPX连接28bit LVDS
5. 每片Virtex-6 FPGA对VPX连接12bit LVCMOS-18
6. 每片Virtex-6 FPGA对VPX连接8X GTX
7. 每片Virtex-6 FPGA通过60bit LVDS连接一个FMC-HPC子卡接口
8. 每片Virtex-6 FPGA外挂两簇32bit最高1GB DDRIII SDRAM
9. 每片Virtex-6 FPGA外挂一片NOR FLASH用于BPI模式加载
10. 每片Virtex-6 FPGA对外挂一片SPI接口FRAM

DSP芯片

1. 内建两片TI DSP TMS320C6678型8核心DSP芯片;
2. 两片DSP通过片内千兆以太网交换网络互联;
3. 一片DSP的千兆以太网1000 BASE-T连接至板端RJ45;
4. 一片DSP的千兆以太网1000 BASE-T连接至VPX P2;

三、软件系统
　　 1) 支持PCIe驱动。

　　 2) 支持千兆网络传输，移植LWIP协议栈，支持ping，TCP、UDP、IP传输协议。
　　 3) 支持Flash 、PCI
Boot引导方式。
　　 4) 支持RapidIO X4 EDMA 中断 数据传输。
　　 5) FPGA 完整的
DDR2控制、网络数据收发传输。
　　 6) FPGA Rocket 光纤数据传输测试程序。
　　 7) DSP与FPGA的RapidIO口
EDMA，同步中断传输，满足理论速度10Gbps。
　　 8) 支持FPGA程序采用 Flash、DSP引导加载。

四、子卡配用：

子卡类别	板卡名称	板卡标识码
AD/DA子卡	FMC125-基于FMC接口的两路125Msps AD，两路160Msps DA子卡模块	06ADDA000125
	FMC145-四路16位125Msps AD FMC子卡模块	06ADDA000145
	FMC150-基于FMC接口的2路250Msps AD、2路800Msps DA FMC接口子卡模块	06ADDA000150
	FMC141-4路 250Msps/16bits ADC, FMC板卡	06ADDA000141
	FMC144-八路14位250MSPS AD FMC-HPC模拟数字转换器板	06ADDA000144
	FMC160-两路14位400Msps AD，两路16位1.2Gsps DA FMC子卡模块	06ADDA000160
	FMC209-基于FMC的4路125MAD输入、2路1GDA输出子卡	06ADDA000209
	FMC210-1路1Gsps AD、2路2.5Gsps DA的FMC子卡	06ADDA000210
图像子卡	基于FMC接口的2路CameraLink输入子卡模块	06CamLink088
	基于FMC接口的2路CameraLink输出子卡模块	06CamLink095
	基于FMC的8路光纤SFP的子卡模块	06FMCSFP0154
	基于FMC的2路万兆光纤SFP+子卡模块	06XFP000165
	基于FMC接口的8路LVDS输入 1路DVI输出子卡	06DVILVDS0215
	基于FMC接口的1路full Camera Link输入 1路HDMI(DVI)输出子卡	06CamLink216
DSP子卡	基于FMC接口的TI DSP TMS320C6455子卡模块	06TI6455099
	基于FMC接口的TI DSP TMS320C6748子卡模块	06C67480162

五、物理特性：
　　 尺寸：6U
CPCI板卡，大小为160X233.35mm。
　　 工作温度：0℃～ +55℃ ，支持工业级 -40℃～ +85℃
　　
工作湿度：10%～80%

六、供电要求:
　　 双直流电源供电。整板功耗 50W。
　　 电压：+5V 5A
，+3.3V 6A。
　　 纹波：≤10%

七、应用领域
　　软件无线电系统，基带信号处理，无线仿真平台，高速图像采集、处理等。

 

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