迄今最強大的實時網絡交換處理器設計案例分享

　　項目背景及可行性分析

　　項目名稱、項目的主要內容及目前的進展情況

　　項目名稱：實時網絡交換處理器

　　項目內容：基于Xilinx高端FPGA構建實時網絡交換處理器，實現數據的高速實時采集、交換、存儲以及實時處理，填補國內在實時測控設備方面的空白。

　　目前的進展情況：系統框架構建階段部分子系統已經實現。

　　項目關鍵技術及創新點的論述

　　關鍵技術：實時測控技術一直是航空、航天、核工業、汽車工業領域的重要支撐技術，目前國內在實時測控領域采用的設備一直依賴于國外進口設備，價格昂貴，現有的1000M以太網因網絡的傳輸延遲抖動不確定，不具備實時性，不能應用于該領域。本項目以由高端FPGA構建的網絡交換處理器為中心，集高速數據采集、交換、處理、存儲以及實時顯示為一體，提供完整的實時測控平臺，能夠完全替代國外昂貴的高速采集、實時傳輸、實時存儲設備。

　　創新點：隨著工業設備的日益復雜，設備的測控系統結構龐大，地理分布越加分散，如何實現數據的高速采集、實時傳輸是測控系統面臨的巨大挑戰。為了實現數據的高速采集，ADI等國外企業推出高性能仿真機，現有高端仿真機能夠實現128路高到65MSPS的高速并行采集;為實現數據的高速傳輸與交換，GE等公司推出廣播內存等實時傳輸設備。國外眾多高速采集、實時傳輸設備存在的缺點主要包括：1)成本高，采用現有國外設備構建一套高速采集、實時傳輸系統，其成本一般在100萬左右;2)接口不統一，現有高速數據采集系統與傳輸系統之間沒有統一的接口標準，采集系統與傳輸系統之間需要通過PC完成數據中轉，極大降低了設備的性能。本項目提出以實時網絡交換處理器為中心，集數據的高速采集、實時傳輸為一體的測控平臺，該平臺以現有FPGA設備為基礎，以同軸電纜或者光纖為通信介質，完成數據的高速采集與實時傳輸。該平臺整體成本低于現有平臺的10%，能夠以邏輯星形結構、邏輯環形結構等多種拓撲方式實現實時通信，系統在靈活性與可靠性方面高于現有設備組成的系統。

　　技術成熟性和可靠性論述：

　　1.在數據采集方面，目前ADC的采樣速率能夠達到2GSPS，ADI、TI等公司等推出眾多65MSPS~200MSPS的AD轉換器，在ADC的接口邏輯設計以及PCB布線設計都有豐富的設計手冊;本小組成員在高速ADC接口邏輯設計方面經驗比較豐富，能夠完成數據采集部分的設計、測試。

　　2.在數據傳輸方面，在具有16位寬度的收發器中，實現1.0Gbps的傳輸速率，假設采用8B10B編碼方式，則FPGA需要具有在125M的工作頻率，現有的FPGA工作頻率遠高于此頻率;系統采用同軸電纜能夠實現10米內的低誤碼率傳輸;采用GBIC與單模光纖，能夠實現20Km以上的傳輸距離;項目小組成員曾參與國內知名企業核心路由器的研究，在高速邏輯設計與布線設計方面經驗豐富。

　　項目實施方案

　　1.方案基本功能框圖及描述

　　圖1 實時網絡交換處理器功能模塊框圖

　　系統以RealSwitch交換模塊為核心，包括數據采集子系統、數據消費子系統、系統總體控制子系統與數據存儲系統構成。RealSwitch交換模塊由virtexⅡpro構造，最多可支持64個數據采集子系統與64個數據消費子系統，交換模塊基板支持8個設備，擴展接口以堆疊方式擴展基板;數據采集子系統由多個65MSPS～125MSPS數據采集器采集數據，由SpartanII FPGA完成數據壓縮與傳輸協議控制，由TI的1.25Gbps收發器完成數據的并-串轉換，高速串行數據通過GBIC-光纖或者雙絞線傳輸;數據消費系統完成高速數據的串-并轉換以及協議控制，采用Xilinx SpartanII FPGA實現，部分仿真客戶端需要模擬信號，數據消費系統完成相應的數-模轉換;系統總體控制子系統完成交換系統的參數配置、數據源設置、網絡交換方式配置等，系統總體控制子系統以標準Ethnet通信與網絡交換模塊通信;數據存儲系統由4個SATA接口硬盤構成RAID系統，完成數據的可靠高速存儲，由Xilinx FPGA實現。

　　2.需要的開發平臺

　　實現本方案所需要的基本功能、功能、接口：

　　DDR-RAM或者高速SDRAM，Flash存儲;

　　PowerPC處理器核，標準Ethnet接口，在網絡交換模塊中實現與外部主機的通信，完成系統總體控制;

　　網絡交換模塊要求FPGA主頻至少125MHz;

　　數據存儲子系統支持4個SATA接口高速硬盤;

　　(3) 所需要的目標FPGA開發平臺，簡述為什么需要此平臺

　　網絡交換模塊宜采用Virtex II Pro開發平臺，原因如下：項目中網絡交換模塊具有邏輯功能要求復雜、系統處理速度要求高等特點，而Virtex-II Pro XC2VP30含有3萬個Logic cells，因此能夠勝任本設計;板上FPGA內含有PowerPC硬核以及Ethnet接口，方便系統總體控制子系統實現。

　　需要的開發工具包括Xilinx ISE、ModelSim等。

　　2.方案實施過程中需要開發的模塊

　　如圖1本方案中需要研制、開發的功能主要模塊如下：

　　RealSwitch網絡交換子系統;

　　高速數據采集子系統;

　　仿真客戶端接口子系統;

　　系統總體控制子系統;

　　數據存儲子系統;

　　系統最終要達到的性能指標

　　系統吞吐量:1.25G;

　　系統ADC速率: 65MSPS～125MSPS;

　　系統傳輸延遲抖動：<1us;

　　交換接口數：128

　　需要的其它資源

　　1.設計輸入輸出功能子板

　　目前已經完成了高速數據采集系統以及仿真客戶端子系統的設計，能夠實現點對點高速數據的采集與傳輸;

　　需要近一步完成數據存儲子系統、網絡交換處理器系統以及系統總體控制子系統模塊。

　　2.測試設備

　　目前開發小組借助西安交通大學電信學院網絡所的資源優勢，擁有泰科500M數字存儲示波器2臺、邏輯分析儀1臺，以及其他直流穩壓電源、萬用表等設備。