【摘要】：當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)面臨著接入流量大,安全態(tài)勢(shì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而同時(shí),人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的吞吐率、傳輸時(shí)延、安全性和CPU資源占用率這四個(gè)方面優(yōu)化的需求日益增長(zhǎng)。因此,需要引入一套支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、安全隔離、卸載CPU部分業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以解決上述問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀及應(yīng)用需求,本文自主設(shè)計(jì)了一套基于ZYNQ的萬(wàn)兆以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)隔離系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了高速電路系統(tǒng)的SI/PI/EMI、以太網(wǎng)與PCIe協(xié)議邏輯實(shí)現(xiàn)等實(shí)際問(wèn)題。支持四路萬(wàn)兆以太網(wǎng)隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接入控制隔離、主機(jī)數(shù)據(jù)的DMA事務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)這三個(gè)核心業(yè)務(wù)。本文自主設(shè)計(jì)的高速數(shù)字系統(tǒng)包括了ZYNQ處理器、萬(wàn)兆以太網(wǎng)SFP+接口、PCIe通信接口、三速以太網(wǎng)模塊、內(nèi)存(DDR3 1600/1066Mbps)、存儲(chǔ)器(QSPI FLASH/SD Slot/SATA)等硬件模塊。完成了45頁(yè)原理圖、1449個(gè)元器件的布局布線、17路分布式電源、關(guān)鍵信號(hào)完整性仿真、單板測(cè)試等工作。解決了最高10Gbps速率信號(hào)完整性、整板電源完整性等硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí),圍繞上述三個(gè)核心業(yè)務(wù),自主設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的邏輯和部分軟件。結(jié)合AXI-Stream和AXI-Lite總線設(shè)計(jì)可編程邏輯頂層架構(gòu)。一、針對(duì)隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā),結(jié)合優(yōu)先級(jí)隊(duì)列和循環(huán)調(diào)度隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了四路數(shù)據(jù)調(diào)度,模擬網(wǎng)絡(luò)測(cè)試得最大轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延可達(dá)6.09μs~9.94μs,總吞吐率理論可達(dá)4.3Gbps~9.4Gbps。二、針對(duì)安全隔離,配合ZYNQ的操作系統(tǒng)端網(wǎng)絡(luò)配置,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備接入控制和隔離,符合《信息安全技術(shù),單機(jī)防入侵產(chǎn)品安全功能要求》的規(guī)定。三、針對(duì)DMA事務(wù)轉(zhuǎn)發(fā),解決了PCIe讀完成包亂序重排、DMA數(shù)據(jù)緩存、TCP精簡(jiǎn)協(xié)議業(yè)務(wù)等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了傳輸帶寬523.5MB/s,資源占用率低于20%(i7-7700K)的指標(biāo)。綜上,本文系統(tǒng)解決了高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、協(xié)議實(shí)現(xiàn)、邏輯和時(shí)序優(yōu)化等難點(diǎn),具有設(shè)備兼容、軟硬件協(xié)同、相對(duì)獨(dú)立的安全隔離、多功能集成等特點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP393.11
【圖文】：

AXI雙向握手

寫 讀主從 主從圖 2- 7AXI-Lite 讀寫流程 AXI-Stream 總線：其信號(hào)如圖 2-8，為了保證高吞吐和低延時(shí)，取消了地址映射的概念，只進(jìn)行突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸。Valid 信號(hào)表示主設(shè)備數(shù)據(jù)有效，Ready 信號(hào)表示從設(shè)備準(zhǔn)備完畢，（圖中恒為 1），Keep 信號(hào)用來(lái)指示數(shù)據(jù)每 8字節(jié)數(shù)據(jù)中有多少個(gè)有效數(shù)據(jù)（圖中 03 表示后 2 個(gè)字節(jié)有效），Last 信號(hào)指示數(shù)據(jù)末尾，通過(guò) Keep 和 Last 信號(hào)可計(jì)算數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

（I） （II）圖 3- 2 ZYNQ 引腳分布如圖 3-2(I)，結(jié)合 Bank 分布可以看到，ZYNQ 的 I/O 分為 4 種：（1）HR：于各種電平連接，最高可支持 3.3V 電平和 24mA 驅(qū)動(dòng)的 LVCMOS18 和 LVTTL輸出。對(duì)應(yīng) ZYNQ 處理器中的 Bank9、Bank10、Bank11、Bank12、Bank13；2）HP：用于高速外部存儲(chǔ)連接，最高可支持 1.8V 電平，數(shù)控阻抗。對(duì)應(yīng) ZYNQ理器中 Bank33、Bank34、Bank35；（3）GTX 用于高速串行 SERDES 接口設(shè)，比如 SFP+、PCIe、SATA 等高速差分信號(hào)接入和解串。對(duì)應(yīng) ZYNQ 處理器 Bank109、Bank110、Bank111、Bank112；（4）PS I/O 用于 PS 端基礎(chǔ)外設(shè)的連，其 I/O 一般具有固定的功能和對(duì)應(yīng)的模塊。對(duì)應(yīng) ZYNQ 處理器中 Bank500、nk501、Bank502。如圖 3-2(II)是該芯片在 Vivado 中綜合出的引腳分布圖。原理圖設(shè)計(jì)中，各個(gè) Bank 工作電平、連接的模塊、接口功能如表 3-1。

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本文編號(hào)：2765115