迄今最强大的实时网络交换处理器设计案例分享

　　项目背景及可行性分析
　　项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况
　　项目名称：实时网络交换处理器
　　项目内容：基于Xilinx高端FPGA构建实时网络交换处理器，实现数据的高速实时采集、交换、存储以及实时处理，填补国内在实时测控设备方面的空白。
　　目前的进展情况：系统框架构建阶段部分子系统已经实现。
　　项目关键技术及创新点的论述
　　关键技术：实时测控技术一直是航空、航天、核工业、汽车工业领域的重要支撑技术，目前国内在实时测控领域采用的设备一直依赖于国外进口设备，价格昂贵，现有的1000M以太网因网络的传输延迟抖动不确定，不具备实时性，不能应用于该领域。本项目以由高端FPGA构建的网络交换处理器为中心，集高速数据采集、交换、处理、存储以及实时显示为一体，提供完整的实时测控平台，能够完全替代国外昂贵的高速采集、实时传输、实时存储设备。
　　创新点：随着工业设备的日益复杂，设备的测控系统结构庞大，地理分布越加分散，如何实现数据的高速采集、实时传输是测控系统面临的巨大挑战。为了实现数据的高速采集，ADI等国外企业推出高性能仿真机，现有高端仿真机能够实现128路高到65MSPS的高速并行采集;为实现数据的高速传输与交换，GE等公司推出广播内存等实时传输设备。国外众多高速采集、实时传输设备存在的缺点主要包括：1)成本高，采用现有国外设备构建一套高速采集、实时传输系统，其成本一般在100万左右;2)接口不统一，现有高速数据采集系统与传输系统之间没有统一的接口标准，采集系统与传输系统之间需要通过PC完成数据中转，极大降低了设备的性能。本项目提出以实时网络交换处理器为中心，集数据的高速采集、实时传输为一体的测控平台，该平台以现有FPGA设备为基础，以同轴电缆或者光纤为通信介质，完成数据的高速采集与实时传输。该平台整体成本低于现有平台的10%，能够以逻辑星形结构、逻辑环形结构等多种拓扑方式实现实时通信，系统在灵活性与可靠性方面高于现有设备组成的系统。
　　技术成熟性和可靠性论述：
　　1.在数据采集方面，目前ADC的采样速率能够达到2GSPS，ADI、TI等公司等推出众多65MSPS~200MSPS的AD转换器，在ADC的接口逻辑设计以及PCB布线设计都有丰富的设计手册;本小组成员在高速ADC接口逻辑设计方面经验比较丰富，能够完成数据采集部分的设计、测试。
　　2.在数据传输方面，在具有16位宽度的收发器中，实现1.0Gbps的传输速率，假设采用8B10B编码方式，则FPGA需要具有在125M的工作频率，现有的FPGA工作频率远高于此频率;系统采用同轴电缆能够实现10米内的低误码率传输;采用GBIC与单模光纤，能够实现20Km以上的传输距离;项目小组成员曾参与国内知名企业核心路由器的研究，在高速逻辑设计与布线设计方面经验丰富。
　　项目实施方案
　　1.方案基本功能框图及描述
　　


　　图1 实时网络交换处理器功能模块框图
　　系统以RealSwitch交换模块为核心，包括数据采集子系统、数据消费子系统、系统总体控制子系统与数据存储系统构成。RealSwitch交换模块由virtexⅡpro构造，最多可支持64个数据采集子系统与64个数据消费子系统，交换模块基板支持8个设备，扩展接口以堆叠方式扩展基板;数据采集子系统由多个65MSPS～125MSPS数据采集器采集数据，由SpartanII FPGA完成数据压缩与传输协议控制，由TI的1.25Gbps收发器完成数据的并-串转换，高速串行数据通过GBIC-光纤或者双绞线传输;数据消费系统完成高速数据的串-并转换以及协议控制，采用Xilinx SpartanII FPGA实现，部分仿真客户端需要模拟信号，数据消费系统完成相应的数-模转换;系统总体控制子系统完成交换系统的参数配置、数据源设置、网络交换方式配置等，系统总体控制子系统以标准Ethnet通信与网络交换模块通信;数据存储系统由4个SATA接口硬盘构成RAID系统，完成数据的可靠高速存储，由Xilinx FPGA实现。
　　2.需要的开发平台
　　实现本方案所需要的基本功能、功能、接口：
　　DDR-RAM或者高速SDRAM，Flash存储;
　　PowerPC处理器核，标准Ethnet接口，在网络交换模块中实现与外部主机的通信，完成系统总体控制;
　　网络交换模块要求FPGA主频至少125MHz;
　　数据存储子系统支持4个SATA接口高速硬盘;
　　(3) 所需要的目标FPGA开发平台，简述为什么需要此平台
　　网络交换模块宜采用Virtex II Pro开发平台，原因如下：项目中网络交换模块具有逻辑功能要求复杂、系统处理速度要求高等特点，而Virtex-II Pro XC2VP30含有3万个Logic cells，因此能够胜任本设计;板上FPGA内含有PowerPC硬核以及Ethnet接口，方便系统总体控制子系统实现。
　　需要的开发工具包括Xilinx ISE、ModelSim等。
　　2.方案实施过程中需要开发的模块
　　如图1本方案中需要研制、开发的功能主要模块如下：
　　RealSwitch网络交换子系统;
　　高速数据采集子系统;
　　仿真客户端接口子系统;
　　系统总体控制子系统;
　　数据存储子系统;
　　系统最终要达到的性能指标
　　系统吞吐量:1.25G;
　　系统ADC速率: 65MSPS～125MSPS;
　　系统传输延迟抖动：<1us;
　　交换接口数：128
　　需要的其它资源
　　1.设计输入输出功能子板
　　目前已经完成了高速数据采集系统以及仿真客户端子系统的设计，能够实现点对点高速数据的采集与传输;
　　需要近一步完成数据存储子系统、网络交换处理器系统以及系统总体控制子系统模块。
　　2.测试设备
　　目前开发小组借助西安交通大学电信学院网络所的资源优势，拥有泰科500M数字存储示波器2台、逻辑分析仪1台，以及其他直流稳压电源、万用表等设备。