基於FPGA和萬兆網的GigE Vison設計方案
作者：Hello，Panda
本文簡要描述基於萬兆網的GigE Vison IP設計方案。
一、GigE Vsion協議要點
GigE Vison協議基於普通的以太網物理鏈路，運行在UDP協議層之上，包含控制協議GVCP和數據流協議GVSP兩大部分，整個層次結構如下圖1所示。
圖1 GigeVison協議層次結構圖
GigE Vison協議的要點如下：
（1）上電或復位完成後必須先進行IP配置和設備枚舉，必須支持DHCP和LLA（Auto IP）兩種IP配置方式；
（2）在UDP層上建立應答握手機制以保證傳輸，GVCP採用3956端口，數據長度必須以32bit爲邊界，數據不可分包傳輸；
（3）設備必須支持心跳功能以確認處於連接狀態；
（4）支持控制（1個）、數據流（1~512個）和消息（0~1個）三種通道，每個通道分配不同的UDP端口，控制通道支持三種不同的訪問權限；
（5）必須支持最小規模的ICMP（GigeVsion要求必須支持Ping命令）；
（6）GVSP的數據包以字節爲邊界，數據包的大小由第一個有效的test packets決定，支持錯誤恢復和流控制；
（7）GVSP數據傳輸的單位爲Block，一個完整的Block由Data Leader、Data Payload和Data Trailer構成；
（8）所有的Gige Vison相機都必須在他們的XML描述文件中強制制定相機的參數信息。
（9）bootstrap寄存器及XML文件需要非易失Flash硬件支持。
二、IP功能設計方案要點描述
GigE Vison邏輯IP需要實現圖1所示的所有協議層，方案中硬件平臺基於Xilinx 7系列器件XC7K325T/XC7K160T，下圖2是GigE Vision IP核的模塊框架結構。
圖2 GigE Vision IP核的框架結構
（1）物理層
物理層使用Xilinx 10G Ethernet Subsystem IP核，版本v3.1。對外數據接口例化爲AXI4 Stream，位寬64bit，數據時鐘156.25MHz；配置接口例化爲AXI4-Lite，位寬32bit，時鐘頻率100MHz。
IP核配置通過Microblaze軟核完成，並且使能Jumbo幀功能。功能、接口、配置和使用說明參見Xilinx官方文檔PG157。
（2）IP/UDP層
IP層協議僅支持IPv4版本，IP數據報頭Options項爲空；需要支持DHCP、ARP和ICMP協議，內部通信採用64位AXI4 Steam總線通信。
（3）GVCP/GVSP協議
支持GigE Vison Specification version 1.0標準描述的所有必須支持的項，GVSP數據包負載類型支持Payload type = RawData/YUV422-8bit/RGB888。爲完整實現功能，部分控制放在處理器上完成（本設計實例使用MicroBlaze），需要掉電保存的項存儲在外部Flash中，需要大量緩存的數據存儲在片外DDR中。
RTL描述語言使用Verilog，編譯工具使用Xilinx Vivado2016.4，仿真工具使用ModelSim 10.2C。
備註：
（1）爲簡化邏輯端的設計難度，可將GVCP協議放在Microblaze裏面實現，使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS裏運行；
（2）物理層使用千兆網的，本方案仍然可行，只需修改物理層接口即可；使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS裏軟件實現所有的GVCP和GVSP協議；
三、測試結果
在Xilinx K7 325T器件上實現完整的系統（包括DDR Mig、Microblaze等），佔用Slice約30K。
與PC進行點對點數據傳輸測試，穩定傳輸速率約爲6.5Gbps，可輕鬆傳輸4K無壓縮原圖或一些特殊圖像數據如超聲、CT、雷達、高速ADC採樣結果等原始數據。
