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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于SOPC的千兆以太网适配器的设计与实现 姓名：陈亮 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：冯丹 20080605 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 将千兆以太网技术应用在对象存储系统，能提供高速、廉价、可扩展的网络互 联。采用可编程片上系统 SOPC（System On Programmable Chip）的方法实现千兆以 太网适配器能有效发挥 SOPC 在软硬件定制及系统扩展方面的优势，满足对象存储 系统的需求。 详细分析了千兆以太网 IEEE802.3z 协议，研究了千兆以
2、太网适配器的系统架构 和工作原理， 提出了在现场可编程逻辑门阵列 FPGA （Field Programmable Gate Array） 芯片上采用可编程片上系统 SOPC 方法实现千兆以太网适配器的设计方案。设计并 完成了千兆以太网媒体访问控制 GEMAC（Gigabit Ethernet Media Access Control）接 口逻辑。 GEMAC 接口逻辑的设计采用 Verilog HDL 硬件描述语言完成，实现了 MAC 层 的所有功能，支持标准的 1.25Gbps 的千兆以太网应用，可用于点对点拓扑和交换拓 扑，实现串行高速比特流的收发；MAC 层完成以太网帧的收发和全双工流
3、量控制， 帧发送引擎将上层交付的数据组装成标准的以太网帧格式发送出去，帧接收引擎处 理帧接收过程中出现的帧目的地址错误、帧校验错误等各种情况；流量控制模块通 过 Pause 帧的识别与控制， 完成端到端的流量控制。 通过 Avalon 总线接口， 将 GEMAC 接口逻辑与聚合/分散 DMA（Scatter-Gather DMA，SGDMA）模块配合，高效读写 DDR 存储器。 在设计过程中，从资源和时序的角度，对硬件描述语言编码、逻辑综合、布局 布线、时序约束作了一些优化，达到提高系统性能的目的。同时，构建了一个系统 级的测试平台，完成了千兆以太网适配器的功能验证和性能评估。 关键词：关键词
4、：千兆以太网，适配器，现场可编程逻辑门阵列，可编程片上系统 本文受“973”项目(2004CB318201)资助 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Gigabit Ethernet in Object-based Storage Systems provides high performance, low cost and extensible interconnection. Implementating Gigabit Ethernet adapters in the SOPC (System On Pro
5、gammable Chip) method can effectively utilize the advantages of SOPC, such as the customization of software/hardware and the system extensibility, and sastify the requirement of Object-based Storage Systems. The research on the architecture and work principle of the Gigabit Ethernet adapter is based
6、 on the analysis of Gigabit Ethernet IEEE 802.3z protocol. The Gigabit Ethernet adapeter is implemented in the FPGA (Field Programmable Gate Array) device by adopting the SOPC method. The interface logic of GEMAC (Gigabit Ethernet Media Access Control) is designed and implemented. The design of the
7、Gemac interface logic uses the Verilog hardware description language and achieves all functions of the MAC layer. The standard 1.25 Gbps Gigabit Ethernet applications, the point-to-point topology and the fabric topology are supported. The serial high-speed bit-stream transceiver is realized. The MAC
8、 layer achieves the sending and receiving of the Ethernet frame and the duplex flow control. The frame sending engine sends the data delivered by the upper layer in the Ethernet frame. The frame receiving engine handles the frame destination errors, the frame checkout errors and so on when receiving
9、 frames. By the identification and control of the Pause frame, the flow control module achieves the end-to-end flow control. Via the Avalon bus interface, the GEMAC interface logic is connected with the Scatter-Gather DMA module, which accesses DDR SDRAM effectively. In order to improve the system p
10、erformance, the coding in hardware description language, the logic synthesis, place and route, the timing constraint are optimized from the perspective of resource and timing. A system-level platform is built to complete the functional validation and performance evaluation of the Gigabit Ethernet ad
11、apter. Keywords: Gigabit Ethernet, Adapter, Field Programmable Gate Array, System On Programmable Chip The research is supported by “973” Program under Grant No. 2004CB318201 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确
12、方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅 和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技
13、 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题背景 随着网络技术的飞速发展和用户对大规模存储系统日益增长的需求，网络存储 系统逐渐成为存储系统的主流1。当构建容量达到 PB 级，吞吐率达到 100GB/s 的海 量存储系统时，现今广泛使用的存储结构直接附加存储（Direct Attached Storage,DAS） 、 附网存储 （Network Attached Storage,NAS） 和存储区域网 （Storage Area Network,SAN）均存在不同程度的缺陷。对象存储理论的提出，使得存储系统突破了 基于块的数据管
14、理模式，采用了基于对象的数据管理模式。基于对象的存储接口可 以包含任何类型的数据，同时还具有属性特征，能改善存储系统的安全性、跨平台 互操作性、高性能和智能化，从而为构建 PB 级的海量信息存储系统提供理论依据。 在基于对象的存储系统中2，基于对象存储设备（Object-based Storage Device， OSD） 代表着网络存储的下一代磁盘驱动器， 它是一种智能设备， 包括处理器、 RAM 内存、 网络接口、 存储介质以及运行在其中的控制软件。 OSD 工作在 TCP/IP 网络下， 接收并解析来自客户端的基于对象的命令和数据，这些命令和数据是以 iSCSI 会话 为基本单元的。为了
15、实现基于对象的存储，必须实现基于对象存储(Object-based Storage，OBS)控制器，并提供解析 iSCSI 协议更快的网络接口34。 虽然国外有一些现场可编程逻辑门阵列5-6 (Field Programmable Gate Array， FPGA)厂商相继推出了千兆以太网接口的知识产权核，但是还没有提供完整的千兆 以太网适配器 FPGA 解决方案，为了填补这个空白，本课题完成了千兆以太网适配 器 FPGA 设计与实现的研究。 1.2 国内外最新研究成果 以太网起源于美国夏威夷大学开发的一种使用无线电广播技术的分组交换计算 机网 ALOHA。 DEC， INTEL 和 XERO
16、X 三家公司在此基础上共同研制出来了计算机 局域网，简称 DIX 网，后来发展成了以太网。以太网的发展过程经历了四个阶段， 即以太网，快速以太网，千兆以太网和万兆以太网。千兆以太网和万兆以太网已经 成为未来计算机网络互连技术的主流7。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 对于千兆以太网技术的实现， 国际上有两种主流的设计方案。 以国外的 Broadcom 和 Realtek 为代表的专业集成电路设计公司通过设计面向服务器和 PC 的专用千兆以 太网通讯芯片来实现千兆以太网技术。 这类芯片大多都将以太网 MAC 层和物理层的 功能集成在一个芯片上， 并遵从 IEEE 802.3,802.3z 标准,支持 10M/100M/1000M 应用, 支持半/全双工两种工作模式。同时提供完善的固件以及底层驱动程序套件，用户可 以很好的使用。比如国家半导体公司的 DP
