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万兆以太网高带宽低延迟接口的FPGA轻量化设计
宋驰峰, 杨航宇, 刘济源, 汤勇明, 袁晓冬, 李鹤
集成电路与嵌入式系统 ›› 2025, Vol. 25 ›› Issue (6) : 39-47.
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万兆以太网高带宽低延迟接口的FPGA轻量化设计
FPGA-based lightweight design of 10 GbE high-bandwidth low-latency interface
新型电力系统实时仿真对CPU-FPGA异构与多FPGA分布式计算提出了更高要求,通信效率将成为瓶颈问题之一。面对千兆以太网带宽与实时性短板逐渐凸显的现状,提出了一种基于FPGA的万兆以太网高带宽低延迟接口的轻量化设计。物理层基于高速收发器构建,实现低延迟与高可靠性。UDP协议栈采用交替缓存与优先级队列机制,提高数据吞吐并均衡瞬时负载。板级测试结果表明,该设计硬件资源占用率低,最大传输带宽可达9.70 Gb/s,平均传输延迟为0.45 μs,各协议层交互稳定无冲突,为电力系统仿真等应用提供了高效的底层通信支持。
The real-time simulation of new power system puts forward higher requirements for CPU-FPGA heterogeneous computing and multi-FPGA distributed computing, in which communication efficiency may become one of the bottlenecks. Given the current limitations of Gigabit Ethernet in bandwidth and real-time performance, this paper proposes an FPGA-based lightweight design of 10 GbE high-bandwidth low-latency interface. PHY is built based on the GT to achieve low latency and high reliability. In the UDP stack, alternating caching and queuing with priority are adopted to improve data throughput and balance instantaneous load. The on-board test results show that the design achieves low hardware resource consumption, a maximum transmission bandwidth of 9.70 Gb/s, an average transmission delay of 0.45 μs and stable interactions between protocol layers without interference, which provides efficient communication support for the simulation of power system and other applications.
FPGA / 万兆以太网 / UDP / 交替缓存 / 硬件接口
FPGA / 10GbE / UDP / alternating caching / hardware interface
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在应用风洞试验对某结构模型进行动态测试时,需要用数据记录仪对多次试验过程的状态信息进行存储记录以及回读分析。数据记录仪的接口为LVDS接口,为了方便在地面阶段用上位机对记录仪进行指令下发以及回读测试,设计了一款LVDS转以太网的测试工装。此装置采用FPGA作为主控芯片,以8B/10B编解码的方式对LVDS线路的信号进行传输稳定性处理,通过以太网接口与上位机进行通信。记录仪的数据经LVDS传输至FPGA中的RAM,采用双RAM缓存提高传输效率,随后将RAM中的数据封装为以太网UDP/IP帧格式,在UDP协议的基础之上通过双RAM交替缓存实现指令-数据的“握手”操作,并使用CRC校验以及数据重传的方式降低传输过程中的误码率,最后通过物理层芯片发送至上位机。经验证,LVDS+FPGA+以太网的数据传输是可行的,具有良好的稳定性和可靠性,可应用于实际工程。
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