基于PC机与FPGA的脉冲雷达通信系统设计.doc

基于PC机与FPGA的脉冲雷达通信系统设计使用WinPcap 自定义通信帧格式，实现一种PC 机与FPGA 之间双向高速数据传输的方法，绕过TCP 协议和IP 协议，只涉及到链路层和物理层，降低了FPGA 端的协议解析复杂度、减少拆包时间和时延，且突发速率达到1Gbit /s。0 引言近年来，FPGA（ Field Programable GateArray，现场可编辑门阵列） 在通信领域的应用越来越广泛，FPGA 运行速度快，容易实现大规模系统，内部程序并行运行，但进行高精度复杂运算处理是FPGA 的劣势，同时由于计算机具有强大的运算和处理能力，可以将高精度复杂运算由PC 机完成后再交由FPGA完成其他工作。千兆以太网作为一种高速以太网技术，仍采用了与10M 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。利用千兆以太网，可以方便地构建PC机与FPGA 的高速数据传输系统。1 总体设计系统总体设计如图1 所示，数据通过PC 机的网卡发送，利用千兆以太网作为传输媒介，传输至FPGA 端时首先通过SFP 光模块进行电光转换，然后到达FPGA 的RocketIO PHY 层，该层是高速的串行收发器，可对数据进行单工或双工的收发。接收完成的数据被送至MAC 层进行地址解析与校验，只有当解析与校验结果正确且FIFO 不满时，数据才能被写入FIFO。写入FIFO 的数据可被后续的用户逻辑进行相关的数据处理。在PC 端，考虑到所传输数据具有较为固定的格式且传输速率很高，将不采用传统的套接字服务（ SOCKET） ，改为在Winpcap 驱动基础上构造并发送或接收自定义的数据包格式。该数据包格式对传统的以太网数据包格式进行大量简化，绕过TCP 和IP 协议，只设计数据链路层与物理层，降低FPGA 端协议解析的复杂度，减少拆包时间与时延。11 Winpcap 简介WinPcap 是应用于Win32 平台的数据包捕获与网络分析的一种体系结构，为Win32 应用程序提供访问网络底层的能力，其主要思想来源于Unix 系统中BSD 包捕获构架。WinPcap 主要由3 个模块组成：（ 1） NPF 包过滤器，数据包监听设备驱动程序，是架构的核心，它工作在内核级，主要功能是过滤数据包。它直接从数据链路层取得网络数据包，不加修改地传给运行在用户层的应用程序，也允许用户发送原始数据包。（ 2） Packet.dll 是低级的动态链接库，运行在用户级，把应用程序和数据包监听设备驱动隔离开来，使得程序可以不加修改地在不同的Windows 系统上运行。通过Packet dll 提供的能用来直接访问BPF驱动程序的包驱动API，利用raw模式发送和接收包。不同Windows 系统上的Packet dll 并不相同，但由于它提供了一套相同的调用接口，这样使得高级系统无关库不依赖于特定的Windows 平台。（ 3） Wpcap dll 是高级系统无关库，也工作在用户级，它和应用程序编译在一起，并使用低级动态连接库Packet dll 提供的服务，向应用程序提供完善的监听接口。由于WinPcap 的主要功能在于独立于主机协议（ 如TCP /IP） 来发送和接收原始数据包。即WinPcap 不能阻塞、过滤或者控制其他应用程序数据包的发送，它仅仅只是监听共享网络上传送的数据包。利用WinPcap 驱动程序发出的数据包将不含有IP头和TCP 头，只含有MAC 地址和数据，简化了硬件上的数据帧格式解析。1 2 自定义数据帧格式以太网可以工作在10Mb /s，100Mb /s，1Gb /s等，同时它可以工作于多种传输媒体下，但是所有类型的以太网都有一个统一的帧结构。前导码（ 7 字节） 、帧起始定界符（ 1 字节） 、目的MAC 地址（ 6 字节） 、源MAC 地址（ 6 字节） 、类型/长度（ 2 字节） 、数据（ 46 1500 字节） 、帧校验序列（ 4 字节） 。如PC 机端使用普通的网口编程方法，会带有IP 头和TCP 头等，给FPGA 端拆包、协议解析带来复杂度。为此采用WinPcap 驱动编程，实现FPGA与PC 网口之间的自定义数据帧格式，使FPGA 端接收到得数据帧格式为类似802 3 协议的以太网数据包格式，但不会含有IP 头和TCP 头等协议开销，具体如表1 所示。其中，控制标志用于对FPGA 的寄存器进行设置控制; 校验同标准100Base T 帧的FCS 域，内容为32bit 的CRC 检验值，检验范围包括目的地址、源地址、控制、信息数据4 个字段。