用于視頻傳輸?shù)?0G網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

趙柏山，王禹衡，劉佳琪

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

1 引言

面對(duì)日益增多的數(shù)據(jù)和多媒體服務(wù)，以太網(wǎng)的大容量、高速率、多功能模塊能夠很好地滿足市場(chǎng)要求[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，絕大部分信息要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求會(huì)更高，比如設(shè)備處理速度、傳輸速度、數(shù)據(jù)的還原度等。以太網(wǎng)已經(jīng)在通信、控制、傳輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)十幾年發(fā)展，10G以太網(wǎng)技術(shù)日漸成熟，成本也隨之降低。傳統(tǒng)的基于視頻壓縮的傳輸方案，雖然節(jié)省帶寬，但也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度并且會(huì)產(chǎn)生傳輸延遲，不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。采用萬(wàn)兆以太網(wǎng)傳輸將會(huì)跳過(guò)視頻壓縮的處理，直接將攝像頭捕捉到的信號(hào)進(jìn)行傳輸，這樣可降低系統(tǒng)處理延遲，提高處理速度，保證了視頻的實(shí)時(shí)性。

基于FPGA網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，包含傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議（MAC協(xié)議）[2]。MAC控制器作為以太網(wǎng)核心部分之一，主要以兩種形式存在，一種是將物理層MAC層集成為以太網(wǎng)卡芯片，另一種是MAC控制器獨(dú)立存在IP核。10G以太網(wǎng)卡產(chǎn)品層出不窮，2012年，Intel公司推出了基于多模光纖傳輸介質(zhì)的萬(wàn)兆以太網(wǎng)卡Intel X520-SRI以及基于RJ45傳輸?shù)腎ntelX540-T2[3]，這些網(wǎng)卡的價(jià)錢(qián)很高，達(dá)到了上千元。用FPGA實(shí)現(xiàn)MAC協(xié)議可以在很大程度上降低成本。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在千兆以太網(wǎng)中，MAC層工作在125MHz、8bit位寬中；在萬(wàn)兆以太網(wǎng)中，MAC層工作在156.25MHz、64bit位寬。協(xié)議規(guī)定只適用于全雙工模式，MAC層不使用CSMA/CD協(xié)議[4]，也就是說(shuō)一個(gè)時(shí)鐘周期可以處理8字節(jié)數(shù)據(jù)，幀尾有效字節(jié)長(zhǎng)度不等，在CRC校驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題。為解決這類問(wèn)題，以IEEE802.3ae定義了新的介質(zhì)無(wú)關(guān)接口：10G介質(zhì)無(wú)關(guān)接口 (10 Gigbbit Media Independent Interface,XGMII）[5]，同時(shí)對(duì)此接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，使物理層模塊實(shí)現(xiàn)與FPGA的互連。

本文主要是對(duì)視頻數(shù)據(jù)封裝和解封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1是以太網(wǎng)視頻傳輸整體原理框圖，視頻采集模塊FPGA通過(guò)I2C總線對(duì)攝像頭內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，滿足該攝像頭工作狀態(tài)，將采集視頻數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，選用的方法為乒乓操作[6]。當(dāng)系統(tǒng)配置模塊配置好數(shù)據(jù)后，使能SDRAM讀信號(hào)，將緩存信號(hào)發(fā)送至UDP/IP模塊。這個(gè)過(guò)程主要是對(duì)視頻信號(hào)的采集，此后數(shù)據(jù)信號(hào)依次經(jīng)過(guò)UDP/IP模塊、MAC控制器模塊，將數(shù)據(jù)流按照各層的協(xié)議打包成以太網(wǎng)幀格式，最后通過(guò)XGMII接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PHY光模塊接口，完成整個(gè)發(fā)送過(guò)程。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3 UDP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)

UDP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)最主要是用來(lái)完成UDP頭部和IP頭部的封裝和解封裝。選擇UDP協(xié)議(User Datagram Protocol)，是因?yàn)樗欠擎溄拥膮f(xié)議，與TCP/IP[7]處理數(shù)據(jù)包的方式相比，此方案中的數(shù)據(jù)源端和終端不建立連接，這簡(jiǎn)化了該模塊設(shè)計(jì)。攝像頭捕捉到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)視頻編碼器形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼，作為數(shù)據(jù)部分，當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)入U(xiǎn)DP/IP模塊，會(huì)按照順序依次將UDP/IP頭部封裝好，然后緊接著發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層，交給MAC控制器，完成以太網(wǎng)幀的封裝。UPD/IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 UPD/IP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

如圖所示，其工作流程是：上層所發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)由此協(xié)議棧封裝成所規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式，發(fā)送到MAC控制器模塊；當(dāng)從物理層接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)MAC和IP地址與本設(shè)備的匹配及頭部的校驗(yàn)，來(lái)判斷是否正確，再對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解封裝操作；最后UDP/IP協(xié)議棧輸出的數(shù)據(jù)為視頻數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程可在設(shè)計(jì)上分為發(fā)送模塊和接收模塊，各個(gè)模塊功能詳述如下：

(1)發(fā)送模塊

發(fā)送配置模塊是把目的IP地址，源IP地址，目的MAC地址，源MAC地址的值輸入到該模塊，以一個(gè)字節(jié)的周期進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，將數(shù)據(jù)發(fā)送到幀組裝模塊；發(fā)送組裝模塊也是整個(gè)UDP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)中最重要的部分，雖然發(fā)送配置模塊包含了大部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是例如IP總長(zhǎng)度、首部校驗(yàn)和數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度，這些數(shù)據(jù)需要在組裝模塊完成，并同時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)、數(shù)據(jù)幀開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志位；配置好的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到MAC數(shù)據(jù)接口模塊，MAC數(shù)據(jù)接口模塊會(huì)把8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成64位數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC控制器，同時(shí)還產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)發(fā)送模塊后所要形成的幀頭存儲(chǔ)數(shù)據(jù)如表1。

(2)接收模塊

接收模塊的工作流程是，從MAC層接收數(shù)據(jù)，經(jīng)MAC數(shù)據(jù)接口模塊把64位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)解封裝模塊，把數(shù)據(jù)幀IP/UDP頭部去除，把視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶層進(jìn)行顯示。此過(guò)程需要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配成功準(zhǔn)確無(wú)誤后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)議棧整體傳輸位寬為8bit，本研究中所設(shè)計(jì)的為萬(wàn)兆以太網(wǎng)，故此在MAC層數(shù)據(jù)，所設(shè)計(jì)位寬為64位，時(shí)鐘為156.25MHz，需要另外設(shè)計(jì)一個(gè)接口緩沖模塊（MAC接口模塊），以滿足發(fā)送和接收所需要的位寬，使MAC控制器和協(xié)議棧之間實(shí)現(xiàn)鏈接。這樣處理增強(qiáng)了靈活性，整個(gè)設(shè)計(jì)是運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)，與運(yùn)用軟件的方式相比，處理速度更快。對(duì)于UDP/IP整個(gè)發(fā)送的幀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Quartus II軟件IP核設(shè)計(jì)RAM存儲(chǔ)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫(xiě)，這樣可以節(jié)省版子的資源，也能節(jié)省占用FPGA邏輯資源。

表1 UDP/IP幀頭數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況

4 MAC控制器設(shè)計(jì)

協(xié)議規(guī)定萬(wàn)兆以太網(wǎng)使用的是全雙工模式[8]，因此MAC層不使用千兆CSMA/CD協(xié)議半雙工模式，這樣相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化了MAC控制器設(shè)計(jì)[9]。相比千兆以太網(wǎng)使用的8位數(shù)據(jù)寬、125MHz進(jìn)行傳輸，萬(wàn)兆以太網(wǎng)使用了156.25MHz和64位寬進(jìn)行傳輸，這就產(chǎn)生了許多新的問(wèn)題。CRC校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)由8bit并行輸入產(chǎn)生的32bit的校驗(yàn)碼，變成由64bit并行輸入產(chǎn)生32bit校驗(yàn)碼，并且?guī)驳挠行ё止?jié)不同。由于使用的是位寬64bit，所以可以一個(gè)時(shí)鐘同時(shí)處理8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀結(jié)尾處數(shù)據(jù)含有有效數(shù)據(jù)或者校驗(yàn)的32位數(shù)據(jù)，如何處理結(jié)尾處的數(shù)據(jù)以及32位數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼的時(shí)序，使得XGMII接口設(shè)計(jì)成為本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。MAC控制整體設(shè)計(jì)，大體分為上層接口模塊、控制器模塊、狀態(tài)機(jī)模塊、流控模塊、XGMII接口模塊這五個(gè)模塊。上層接口模塊主要是把UDP/IP協(xié)議棧8bit數(shù)據(jù)通過(guò)該接口生成64bit數(shù)據(jù)位和7bit控制位；控制模塊是判斷發(fā)送暫停幀還是數(shù)據(jù)幀，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于規(guī)定的最小長(zhǎng)度64字節(jié)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)填充（0字節(jié)），以滿足最小的數(shù)據(jù)要求；狀態(tài)機(jī)模塊是在物理層的數(shù)據(jù)進(jìn)入其中時(shí)，把整個(gè)數(shù)據(jù)添加上以太網(wǎng)幀頭部和尾部校驗(yàn)碼，此外狀態(tài)機(jī)還要負(fù)責(zé)去掉前導(dǎo)碼和幀起始定界符（SFD）；流量控制模塊是執(zhí)行當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁靠刂?；XGMII接口模塊是把經(jīng)過(guò)其中的64bit的數(shù)據(jù)位和7bit控制位轉(zhuǎn)換產(chǎn)生32bit數(shù)據(jù)位和4bit控制位，發(fā)送到物理層，當(dāng)接收物理層數(shù)據(jù)時(shí)，XGMII接口完成數(shù)據(jù)由32bit到64bit的轉(zhuǎn)換。

4.1 CRC校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

萬(wàn)兆MAC幀控制器的位寬為64bit，所以其校驗(yàn)主要以64bit校驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)方法有兩種[10-11]。第一種是，當(dāng)tx_status[7]有效時(shí)，表示幀開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)入狀態(tài)機(jī)，同時(shí)進(jìn)入CRC校驗(yàn)?zāi)K，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。當(dāng)檢測(cè)到tx_status[6]有效時(shí)，檢測(cè)tx_status[3:0]數(shù)值。不同的有效字節(jié)數(shù)有不同的校驗(yàn)?zāi)K，例如檢測(cè)到數(shù)值位4時(shí)，觸發(fā)32bit校驗(yàn)?zāi)K，將結(jié)尾32位有效數(shù)據(jù)輸入32bit校驗(yàn)?zāi)K，完成最后的校驗(yàn)。方法一的校驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。運(yùn)用此種方法，整個(gè)傳輸過(guò)程中沒(méi)有延遲情況，有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是比第二種方法占用了FPGA芯片更多的邏輯資源。

圖3 CRC32無(wú)延遲校驗(yàn)?zāi)K

圖4所示即為方法二，它也使用了64bit校驗(yàn)?zāi)K，當(dāng)檢測(cè)到幀結(jié)尾信號(hào)時(shí)，只使用8bit校驗(yàn)?zāi)K，而最后8字節(jié)數(shù)據(jù)將根據(jù)有效字節(jié)個(gè)數(shù)逐字節(jié)進(jìn)行處理。例如，當(dāng)有效字節(jié)為4時(shí)，將32bit數(shù)據(jù)輸入CRC校驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)時(shí)鐘處理一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，4個(gè)時(shí)鐘過(guò)后即得到CRC校驗(yàn)碼，所得值和方法一相同。

圖4 CRC32 8時(shí)鐘延遲校驗(yàn)?zāi)K

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用的邏輯資源較少，但會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)延遲，最多延遲達(dá)8個(gè)時(shí)鐘，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)緊接著發(fā)送FCS，還需要增加一個(gè)緩沖模塊，才能保證整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送的完整性。

本研究所使用的FPGA芯片邏輯資源足以滿足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以綜合考慮使用第一種方法。

4.2 以太網(wǎng)幀處理

以太網(wǎng)幀處理分成接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。發(fā)送數(shù)據(jù)將同步字段和校驗(yàn)位添加到以太網(wǎng)幀，接收數(shù)據(jù)將物理層接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，去除頭部校驗(yàn)部分并判斷是否滿足最小幀長(zhǎng)度要求，如果滿足，則發(fā)送數(shù)據(jù)到UDP/IP協(xié)議棧。圖5為將數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 以太網(wǎng)發(fā)送模塊

完成這些工作的主要模塊是發(fā)送狀態(tài)機(jī)和接收狀態(tài)機(jī)。發(fā)送狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的主要功能是把上層數(shù)據(jù)前端加入同步字節(jié)（前導(dǎo)碼，起始定界符）8字節(jié)，由于數(shù)據(jù)位寬為64bit，所以只需要一個(gè)時(shí)鐘周期就能把8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)添加到以太網(wǎng)頭部，與千兆以太網(wǎng)需要8個(gè)時(shí)鐘周期才能完成這一動(dòng)作相比，此方案節(jié)省很多時(shí)間，處理速度大有提高。但在數(shù)據(jù)幀結(jié)尾處，有效字段不定長(zhǎng)，數(shù)據(jù)幀結(jié)尾處一個(gè)時(shí)鐘周期需要發(fā)送8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其中可能包括有效字節(jié)數(shù)和32位CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可能不包括，針對(duì)這一點(diǎn)，將幀尾數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，把幀尾數(shù)據(jù)的各種情況列出兩個(gè)表。

表2所示是當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到幀尾時(shí)，幀尾內(nèi)所包含的數(shù)據(jù)種類。表中IDLE、TERMINATE、CRC、data分別表示幀間隔、結(jié)束碼、校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)。由2表可知，不同的有效字節(jié)數(shù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)不一樣。當(dāng)有效字節(jié)為4～8時(shí)缺少結(jié)束碼和CRC32部分?jǐn)?shù)據(jù)，這個(gè)狀態(tài)下，還有部分信息不完整，還需要另一個(gè)時(shí)鐘周期把未發(fā)送完成的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。表3即是將剩余的部分發(fā)送出去，這樣才能完成一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。由于協(xié)議規(guī)定，每一幀數(shù)據(jù)的起始數(shù)據(jù)必須要在通道next_xgmac_txd[7:0]處，設(shè)計(jì)也保證了幀的每次傳輸?shù)钠鹗嘉恢枚荚趎ext_xgmac_txd[7:0]通道的位置上。

表2 幀尾數(shù)據(jù)

表3 剩余幀尾數(shù)據(jù)

5 驗(yàn)證仿真

采用ALTERA公司的Cyclone IV系列EP4CE6F17C8N器件，共有6272邏輯單元,6272邏輯門(mén),276480 RAM；使用Verilog語(yǔ)言編程；使用Mentor公司的ModelSim對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真。UPD/IP協(xié)議棧發(fā)送仿真波形如圖6。從圖6可以看出，ram_addr地址計(jì)數(shù)器位13和14是發(fā)送的80兩個(gè)字節(jié)，整個(gè)數(shù)據(jù)在UDP/IP協(xié)議棧傳輸，添加數(shù)據(jù)幀頭數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程按照表1的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸過(guò)程中，豎線的位置為IP頭部校驗(yàn)和，將IP頭部數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，兩個(gè)數(shù)值相等，與設(shè)計(jì)相符合。

圖6 UDP/IP協(xié)議棧發(fā)送仿真波形

MAC發(fā)送控制器仿真波形如圖7所示，其中next_xgmac_txd為XGMII接口發(fā)送數(shù)據(jù)，tx_valid_rs為整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，由圖可以看出當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)始幀數(shù)據(jù)時(shí)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，但是再發(fā)送數(shù)據(jù)前需要8字節(jié)幀同步信號(hào)。此處加了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的目的是為了緩沖一個(gè)時(shí)鐘輸入同步字段，且數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失。對(duì)于圖7，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀結(jié)尾處時(shí)，此圖的時(shí)序是4個(gè)有效字段，豎線所在位置為對(duì)結(jié)尾處數(shù)據(jù)幀的處理，分別取出CRC校驗(yàn)?zāi)K32位數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀前32位數(shù)據(jù)，組成幀尾數(shù)據(jù)，此狀態(tài)沒(méi)有結(jié)束碼，則進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行結(jié)束碼的輸入，同時(shí)CRC32位校驗(yàn)碼緊跟在數(shù)據(jù)幀后面。仿真波形符合設(shè)計(jì)的預(yù)定目標(biāo)。

圖7 MAC控制器發(fā)送模塊時(shí)序

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)IEEE802.3-2005和IEEE802.3ae標(biāo)準(zhǔn)，使用ALTERA公司的Cyclone IV系列EP4CE6F17C8N，系統(tǒng)地闡述了對(duì)萬(wàn)兆以太網(wǎng)視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也詳細(xì)介紹了UDP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)和萬(wàn)兆MAC控制器設(shè)計(jì)。將傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層合并到一個(gè)處理模塊中的思路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)節(jié)省了邏輯資源。針對(duì)MAC控制器的幀尾有效字節(jié)的不同，對(duì)以太網(wǎng)幀處理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)ModelSim對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真。由仿真結(jié)果可以看出，協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)格式得到了滿足。對(duì)并行輸入CRC校驗(yàn)?zāi)K也做了設(shè)計(jì)，針對(duì)有效字節(jié)不定長(zhǎng)的問(wèn)題，提出兩種解決方法。對(duì)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行布局布線后仿真，結(jié)果表明，整體傳輸速率可以達(dá)到10Gb/s。本研究對(duì)于攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)快速處理有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

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