基于千兆網(wǎng)的FPGA多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3上位機(jī)軟件的功能

　　由于本系統(tǒng)的硬件部分實(shí)現(xiàn)了UDP/IP協(xié)議棧的內(nèi)容，上位機(jī)軟件在開發(fā)時(shí)有了較多可利用的系統(tǒng)調(diào)用，主要是Socket(套接字)原語的使用。相對于硬件開發(fā)來說，軟件開發(fā)方便實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能和計(jì)算，所以在系統(tǒng)構(gòu)想之初就刻意將一些較難實(shí)現(xiàn)的部分交由上位機(jī)軟件來處理，主要是圖像幀間隔的識別和重傳包的統(tǒng)計(jì)。

　　關(guān)于數(shù)據(jù)包重傳，硬件設(shè)備在傳送各個(gè)通道的圖像時(shí)，只選取一個(gè)合適的點(diǎn)開始采集圖像，而不負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)包中添加圖像幀的開始和結(jié)束等信息，因?yàn)檫@樣不僅偏離了多通道圖像和數(shù)據(jù)兼容的初衷，而且給FPGA程序的實(shí)現(xiàn)增加了困難，尤其是采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)出DDR2 SDRAM緩存，如果在這些純數(shù)據(jù)中添加額外的標(biāo)志數(shù)據(jù)，可能會打亂整個(gè)緩存區(qū)的布局。所以上位機(jī)只能根據(jù)接收的數(shù)據(jù)量來判斷各個(gè)圖像幀之間的間隔，然后無論顯示或存儲，都以幀為單位進(jìn)行。

　　4系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　4.1 ARP包的響應(yīng)與抑制

　　上位機(jī)在向設(shè)備發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包之前，可能會先發(fā)送一個(gè)ARP包，請求設(shè)備的MAC地址。所以在FPGA程序中要能響應(yīng)該數(shù)據(jù)包，并發(fā)送ARP回復(fù)，否則設(shè)備與上位機(jī)將不能通信。得到設(shè)備的MAC地址后，上位機(jī)會暫時(shí)將其保存，建立一個(gè)ARP表項(xiàng);一段時(shí)間后，ARP表老化，會再次向設(shè)備發(fā)送ARP請求。

　　為了能正確響應(yīng)ARP請求和回復(fù)，必須要清楚ARP數(shù)據(jù)包的格式。如圖5所示，如果以太網(wǎng)幀“幀類型”區(qū)域的值為0x0806，則表示該幀后面的數(shù)據(jù)填充為一個(gè)ARP包。至于是ARP請求還是ARP回復(fù)，需要根據(jù)ARP首部的操作碼來辨別：操作碼為0x0001，則是ARP請求包;操作碼為0x0002，則是ARP回復(fù)包。ARP請求包填入一個(gè)廣播幀并發(fā)向網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)，所以其以太網(wǎng)目的地址為廣播幀地址0xffffffffffff，并且由于它的目標(biāo)是請求目的主機(jī)的MAC地址，故圖中“接收方MAC地址”區(qū)域沒有確切值，可為任意6 Byte的填充;ARP回復(fù)包已經(jīng)得到了所需的MAC地址，但是要注意，此時(shí)的發(fā)送方和接收方已經(jīng)對調(diào)，相應(yīng)區(qū)域的填寫也應(yīng)適當(dāng)改變。

　　圖4 用戶數(shù)據(jù)打包/解包示意圖

　　以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定的最短幀長為64Byte，這就要求其數(shù)據(jù)填充至少為46 Byte，如圖4所示，而圖5中的ARP字段共有28 Byte，所以無論是ARP請求還是回復(fù)，均應(yīng)有18 Byte的填充數(shù)據(jù)。有些PC機(jī)會發(fā)送其他設(shè)備的ARP請求，即使此時(shí)只有一根直連線將設(shè)備與上位機(jī)相連。這時(shí)設(shè)備是不能響應(yīng)該請求的，應(yīng)當(dāng)在MAC層和IP層之間就將這樣的請求屏蔽，防止干擾正常的數(shù)據(jù)包傳輸。

　　圖5 ARP包格式

　　4.2 Jumbo幀的利弊

　　以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大幀長度為1 518 Byte，這包括IP層和UDP層添加的首部，一般發(fā)送的數(shù)據(jù)包也都應(yīng)該限制在這一范圍內(nèi)。但千兆以太網(wǎng)有一種廠商標(biāo)準(zhǔn)的超長幀格式，目前還沒有獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會的認(rèn)可，它規(guī)定的幀格式與普通以太網(wǎng)幀相同，只是其數(shù)據(jù)填充區(qū)域可以突破原有限制，整個(gè)幀長度為9 000～64 000 Byte不等，即Jumbo巨型幀。

　　在本系統(tǒng)中采用Jumbo幀的好處：(1)可以適當(dāng)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。這主要靠節(jié)省各層首部的添加得到。(2)減少操作系統(tǒng)因頻繁響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷而帶來的CPU資源的過多占用。這可以說是采用Jumbo幀的主要原因，因?yàn)橐幚砬д滓蕴W(wǎng)較高的數(shù)據(jù)率，無論上位機(jī)軟件如何優(yōu)化，CPU的占用仍然很高，這時(shí)如果能減少其他地方的CPU開銷，將大幅增加軟件的處理能力。

　　但Jumbo幀在使用時(shí)也有一些不利的地方。首先，目前很多PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器不支持Jumbo幀的傳輸，雖然Altera的以太網(wǎng)控制器IP核支持，但這不足以使兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信;其次，Jumbo幀會長時(shí)間占用網(wǎng)絡(luò)通道，這會影響那些對數(shù)據(jù)延遲敏感的設(shè)備和應(yīng)用;第三，Jumbo幀的丟包意味著嚴(yán)重的災(zāi)難，一幀相當(dāng)于十多個(gè)正常幀，這會將處理能力弱的PC機(jī)迅速引入重傳的陷阱，丟包越來越多，直到網(wǎng)絡(luò)帶寬被全部占用，導(dǎo)致上位機(jī)軟件崩潰。所以在考慮支持Jumbo幀之前，應(yīng)先充分權(quán)衡這些優(yōu)勢與不足。

　　5結(jié)束語

　　系統(tǒng)硬件設(shè)備與上位機(jī)軟件配合工作，可以較好地完成雙路彩色PAL制數(shù)據(jù)流的采集任務(wù)。通過實(shí)際測試與分析，采用Jumbo幀進(jìn)行傳輸，有效地減少了軟件運(yùn)行過程中的系統(tǒng)中斷數(shù)，從而最大限度地降低了CPU的占用。利用搭建起來的千兆以太網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，可以擴(kuò)展類似的高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。