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NetFPGA
閱讀�13187�(shí)間:2011-06-01 21:57:34

  NetFPGA 是由美國斯坦福大�(xué) (Stanford University) 開發(fā)�(shè)�(jì)的一�(gè)低成� 可重用硬件平�.它的出現(xiàn)使研究人員可以在硬件級別的開�(fā)�(huán)境上搭建 Gb/s 級高性能�(wǎng)�(luò)系統(tǒng)模型,從而�(jìn)行網(wǎng)�(luò)系統(tǒng)的研究和測試.NetFPGA平臺的軟件系�(tǒng)包括操作系統(tǒng)、作為軟件接口的�(qū)�(dòng)程序、實(shí)�(xiàn)各種硬件功能的邏輯代�、執(zhí)行控制功能的軟件程序、系�(tǒng)測試的腳本程�,以及計(jì)算機(jī)輔助�(shè)�(jì)軟件工具�

概述

  NetFPGA 能夠很好地支持模塊化�(shè)�(jì),�(fù)雜的硬件�(shè)�(jì)可以通過各�(gè)子模 塊的組合來完�.更重要的�,NetFPGA 是一�(gè)基于 Linux 的開放性平�,所 有對它感興趣的人都可以利用平臺上�(xiàn)有的資源, 在前人開�(fā)的基�(chǔ)上搭建自� 的系�(tǒng), 而自己開�(fā)的系�(tǒng)也可以被其他人所�,而不再需要重�(fù)地搭建外圍模 �,開發(fā)�(qū)�(dòng)� GUI �,只要添加自己的模塊和修改�(xiàn)有的系統(tǒng)即可. NetFPGA 的模塊化和開放�,大大簡化了網(wǎng)�(luò)研究的任�(wù)�,從而使其獲 得了全球眾多研究�(jī)�(gòu)的青�. 目前, 基于 NetFPGA 的網(wǎng)�(luò)�(shè)�(jì)和路由器�(shè)�(jì), 已經(jīng)作為一門�(shí)�(yàn)課程在美國的很多高校里講�. 國內(nèi)也有很多�(xué)校和研究�(jī)�(gòu)采用基于 NetFPGA �(jìn)行實(shí)�(yàn)與教�(xué)的實(shí)�.

�(jié)�(gòu)

  �2.1版本NetFPGA開發(fā)板的�(shí)物圖如圖所�

NetFPGA的結(jié)構(gòu)

  NetFPGA的主要組成部分為�

  Xilinx Virtex-II Pro 50 (賽靈思Virtex-II Pro 50 FPGA �

  JTAG cable connector can be used to run Xilinx (國際通用的JTAG測試端口�

  4.5 MBStatic Random Access Memory (SRAM) �4.5 MB高速靜�(tài)隨機(jī)存取器)

  Connector block on left of PCB interfaces to 4 external RJ45 plugs �4組高速以太網(wǎng)口)

  Interfaces to standard Gigabit Ethernet using Cat5E or Cat6 copper network cables (支持Cat5E或Cat6�(biāo)�(zhǔn)電纜�

  Wire-speed processing on all ports at all time using FPGA logic (基于FPGA硬件控制電路�

  Two SATA-style connectors to Multi-Gigabit I/O (MGIO) on right-side of PCB (右�(cè)兩�(gè)串口連接線)

  Double-Date Rate Random Access Memory (DDR2 DRAM) �64MB二代�(nèi)存)

  Standard PCI Form Factor (標(biāo)�(zhǔn)PCI接口�

  Dimensions: 25cm long x 10cm tall (10" x 4")�25厘米長x 10厘米高)

軟件系統(tǒng)

  NetFPGA平臺的軟件系�(tǒng)包括操作系統(tǒng)、作為軟件接口的�(qū)�(dòng)程序、實(shí)�(xiàn)各種硬件功能的邏輯代�、執(zhí)行控制功能的軟件程序、系�(tǒng)測試的腳本程�,以及計(jì)算機(jī)輔助�(shè)�(jì)軟件工具�

  為了保證開放性,NetFPGA平臺選擇了CentOS操作系統(tǒng)。CentOS是一�(gè)開放源代碼的Linux操作系統(tǒng),全名為"社區(qū)企業(yè)操作系統(tǒng)"(Community Enterprise Operating System�,是Red Hat的免�(fèi)版本,相對于其他Linux�(fā)行版,其�(wěn)定性值得信賴,非常適合應(yīng)用在�(wǎng)�(luò)和服�(wù)器平�。目�,NetFPGA平臺已經(jīng)支持32位的CentOS 4.4版本直至�5.2版本�

  基于Linux�(nèi)核的�(shè)備驅(qū)�(dòng)程序是NetFPGA開發(fā)板與主機(jī)操作系統(tǒng)的軟件接�。首�,驅(qū)�(dòng)程序?qū)etFPGA的四�(gè)千兆以太�(wǎng)口�(jìn)行配置,在系�(tǒng)�(nèi)添加了四�(gè)命名為nf2c0、nf2c1、nf2c2、nf2c3的網(wǎng)�(luò)連接,從而使得PC主機(jī)上的用戶空間軟件可以通過NetFPGA開發(fā)板上的以太網(wǎng)端口來收�(fā)�(shù)�(jù)分組,就像使用普通的以太�(wǎng)口一�。其次,�(qū)�(dòng)程序給安裝在主機(jī)上的每�(gè)NetFPGA板子�(yù)留了128MB的主�(jī)�(nèi)存空�,開�(fā)板的片上寄存�、SRAM、DRAM被映射到�(nèi)存中,應(yīng)用程序通過對這些寄存器映像�(jìn)行讀�,從而控制NetFPGA的運(yùn)行模�,監(jiān)視數(shù)�(jù)通道的分組處理狀�(tài)。再�,驅(qū)�(dòng)程序使主�(jī)和NetFPGA之間按照DMA方式傳送這�(gè)以太�(wǎng)幀,從而使主機(jī)在I/O�(jìn)行的同時(shí)能夠并行�(yùn)算而不必等待I/O�(jié)��

  �(shí)�(xiàn)各種硬件功能的邏輯代碼是由Verilog硬件�(shè)�(jì)語言編寫�,這些代碼通過仿真來測試和改�(jìn)邏輯功能,之后生成bit文件下載到FPGA�,執(zhí)行相�(yīng)的硬件功能。NetFPGA作為一�(gè)開放平臺,其研究者們已�(jīng)貢獻(xiàn)出了很多Verilog模塊,這為我們的研究開發(fā)提供了很大的便捷�

  完成控制功能的軟件程序主要是由C語言編寫,包括讀寫寄存器、網(wǎng)�(luò)�(xié)議的�(zhí)行等功能。為了使操作簡單和便�,NetFPGA平臺還提供了Java程序開發(fā)的圖形用戶界面(Java GUI��

  此外,Linux操作系統(tǒng)下的Shell腳本程序,可以用來調(diào)用C語言程序,從而對系統(tǒng)�(jìn)行測�,評估其�(wǎng)�(luò)性能�。這些腳本程序通常是在Shell終端�,以命令行的方式�(yùn)行的�

  用于NetFPGA平臺開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助�(shè)�(jì)(CAD)工�,對硬件�(shè)�(jì)�(jìn)行仿真和�(diào)�。設(shè)�(jì)方案通過Mentor Graphics ModelSim來仿真,確保邏輯能夠正確地執(zhí)�。Verilog源代碼通過Xilinx ISE�(jìn)行綜�,最終生成bit文件。,bit文件通過PC主機(jī)的命令行程序下載到FPGA并對其�(jìn)行編�,從而執(zhí)行設(shè)�(jì)的硬件功�。硬件電路的�(diào)試可以使用Xilinx ChipScope的片上邏輯分析儀,通過JTAG接口來完��

搭建

  組裝PC主機(jī)

  主機(jī)配置要求為雙核或四核處理器,2G以上�(nèi)�,額定功�400W以上的電�,主板必須帶有PCI-Express和PCI插槽。主�(jī)攢好之后,將雙口�(wǎng)卡和NetFPGA分別插到主板的PCI-Express和PCI插槽,并牢牢固定��

  安裝操作系統(tǒng)

  目前NetFPGA已經(jīng)兼容�4.4�5.2的各�(gè)CentOS版本,由于CentOS暫時(shí)不支持SATA硬盤,需要通過�(shè)置主板BIOS使SATA硬盤工作在IDE模式。為了保�(xiǎn)起見,安裝過程中選擇所有的組件�

  安裝Java

  由于NetFPGA平臺的控制軟件中包含了Java語言編寫的GUI界面,因此還必須安裝Java JDK和JRE�

  安裝NetFPGA軟件�

  包含NetFPGA�(qū)�(dòng)程序和基本模塊的軟件�,可以從官方�(wǎng)站直接下�,安裝之后�(jìn)行編�,系�(tǒng)已經(jīng)為NetFPGA的四�(gè)端口添加了驅(qū)�(dòng),出�(xiàn)了nf2c0,nf2c1,nf2c2和nf2c3四�(gè)�(wǎng)�(luò)連接�

  安裝CAD工具

  編譯工具采用Xilinx的ISE Foundation,仿真工具采用Mentor Graphics的ModelSim,調(diào)試NetFPGA上的信號采用Xilinx� ChipScope Pro �

  測試

  為了確保軟硬件系�(tǒng)的正確設(shè)�,在安裝完所有軟件之后,對NetFPGA平臺做了一系列測試。這些測試是由一系列Shell腳本程序來完成的,NetFPGA的基本軟件包里已�(jīng)包含了這些程序�

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