基于千兆网的FPGA多通道数据采集系统设计

的格式。如图5所示，如果以太网帧"帧类型"区域的值为0x0806，则表示该帧后面的数据填充为一个ARP包。至于是ARP请求还是ARP回复，需要根据ARP首部的操作码来辨别：操作码为0x0001，则是ARP请求包;操作码为0x0002，则是ARP回复包。ARP请求包填入一个广播帧并发向网络中的所有主机，所以其以太网目的地址为广播帧地址0xffffffffffff，并且由于它的目标是请求目的主机的MAC地址，故图中"接收方MAC地址"区域没有确切值，可为任意6 Byte的填充;ARP回复包已经得到了所需的MAC地址，但是要注意，此时的发送方和接收方已经对调，相应区域的填写也应适当改变。

　　以太网协议规定的最短帧长为64Byte，这就要求其数据填充至少为46 Byte，如图4所示，而图5中的ARP字段共有28 Byte，所以无论是ARP请求还是回复，均应有18 Byte的填充数据。有些PC机会发送其他设备的ARP请求，即使此时只有一根直连线将设备与上位机相连。这时设备是不能响应该请求的，应当在MAC层和IP层之间就将这样的请求屏蔽，防止干扰正常的数据包传输。

　　4.2 Jumbo帧的利弊

　　以太网标准规定的最大帧长度为1 518 Byte，这包括IP层和UDP层添加的首部，一般发送的数据包也都应该限制在这一范围内。但千兆以太网有一种厂商标准的超长帧格式，目前还没有获得IEEE标准委员会的认可，它规定的帧格式与普通以太网帧相同，只是其数据填充区域可以突破原有限制，整个帧长度为9 000～64 000 Byte不等，即Jumbo巨型帧。

　　在本系统中采用Jumbo帧的好处：（1）可以适当提高网络带宽的利用率。这主要靠节省各层首部的添加得到。（2）减少操作系统因频繁响应网络设备的中断而带来的CPU资源的过多占用。这可以说是采用Jumbo帧的主要原因，因为要处理千兆以太网较高的数据率，无论上位机软件如何优化，CPU的占用仍然很高，这时如果能减少其他地方的CPU开销，将大幅增加软件的处理能力。

　　但Jumbo帧在使用时也有一些不利的地方。首先，目前很多PC机的网络适配器不支持Jumbo帧的传输，虽然Altera的以太网控制器IP核支持，但这不足以使两个设备进行通信;其次，Jumbo帧会长时间占用网络通道，这会影响那些对数据延迟敏感的设备和应用;第三，Jumbo帧的丢包意味着严重的灾难，一帧相当于十多个正常帧，这会将处理能力弱的PC机迅速引入重传的陷阱，丢包越来越多，直到网络带宽被全部占用，导致上位机软件崩溃。所以在考虑支持Jumbo帧之前，应先充分权衡这些优势与不足。

　　5 结束语

　　系统硬件设备与上位机软件配合工作，可以较好地完成双路彩色PAL制数据流的采集任务。通过实际测试与分析，采用Jumbo帧进行传输，有效地减少了软件运行过程中的系统中断数，从而最大限度地降低了CPU的占用。利用搭建起来的千兆以太网运行环境，可以扩展类似的高速数据传输应用。