CN106953853B

CN106953853B - 一种片上网络千兆以太网资源节点及其工作方法

Info

Publication number: CN106953853B
Application number: CN201710141532.0A
Authority: CN
Inventors: 许川佩; 赵江伟; 万春霆; 王建喜
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN106953853A

Abstract

本发明公开一种片上网络千兆以太网资源节点及其工作方法，该千兆以太网资源节点由以太网模块和以太网资源网络接口组成。上述以太网模块包括UDP解包与组包模块、三速以太网IP核和三速以太网IP核控制器。UDP解包与组包模块，用于对所传数据进行UDP组包和解包处理。三速以太网IP核，用于千兆以太网MAC层数据的传输。三速以太网IP核控制器，用于设置三速以太网IP核的工作模式。上述以太网资源网络接口包括FIFO模块和RNI控制器。FIFO模块，用于对接收和发送数据的存储。RNI控制器，用于片上网络和千兆以太网之间不同协议数据的转换和转发。本发明耗费较少的FPGA资源，硬件电路简单，数据传输速率高，有效的提高了NoC和PC机间数据的通信效率。

Description

一种片上网络千兆以太网资源节点及其工作方法

技术领域

本发明涉及片上网络技术领域，具体涉及一种片上网络千兆以太网资源节点及其工作方法。

背景技术

借鉴计算机网络技术发展而来的片上网络(Network on chip,NoC)，由路由节点组成的通讯架构实现数据的路由和分组交换，资源节点通过与路由节点的一对一通信实现各种不同功能的资源节点在通讯构架中的交互通信。目前，片上网络与PC机间的数据通信方式较为简单，研究较少，提高二者之间的通信速率是NoC面向更广泛应用而亟须解决的问题。

片上网络要实现以太网的功能，首先需要将NoC系统与TCP/IP协议融合到一起。目前常见的实现方法，一种是基于软件的方法，将嵌入式系统作为NoC系统的一个资源节点。另一种是基于硬件的方法，把已有的TCP/IP芯片直接作为NoC系统的一个资源节点，进而实现以太网通信。基于软件方法实现的以太网通信需要额外的嵌入式系统，另外TCP/IP协议栈都比较庞大。而基于硬件方法实现的以太网通信虽使用现有的TCP/IP芯片可以使其可靠性大幅度提高，但是硬件电路复杂，价格较为昂贵，硬件成本高，数据传输速率也比较低。

发明内容

针对现有的NoC和PC机之间通信速率低的问题，本发明提供一种片上网络千兆以太网资源节点及其工作方法，其能够简化硬件设计同时加快软件设计过程。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种片上网络千兆以太网资源节点，包括连接在片上网络和PC机之间的千兆以太网资源节点，该千兆以太网资源节点由以太网模块和以太网资源网络接口组成；上述以太网模块包括UDP解包与组包模块、三速以太网IP核和三速以太网IP核控制器；UDP解包与组包模块，用于对所传数据进行UDP组包和解包处理；三速以太网IP核，用于千兆以太网MAC层数据的传输；三速以太网IP核控制器，用于设置三速以太网IP核的工作模式；上述以太网资源网络接口包括FIFO模块和RNI控制器；FIFO模块，用于对接收和发送数据的存储；RNI控制器，用于片上网络和千兆以太网之间不同协议数据的转换和转发。

上述方案中，千兆以太网资源节点所传数据的数据帧由两部分构成，前一部分是在片上网络中传输的数据包，后一部分是千兆以太网中传输的数据帧；前一部分作为独立的数据包在片上网络中传输，并作为后一部分的UDP净荷在以太网中传输。

一种片上网络千兆以太网资源节点的工作方法，包括以太网模块的工作过程和以太网资源网络接口的工作过程；

上述以太网模块的工作过程如下：

当启动信号有效，数据包传输进入传输空闲状态S0；若以太网资源网络接口请求写数据有效，且以太网资源网络接口传送帧头标示有效，则数据包传输进入传输起始状态S1，此状态主要完成MAC首部、IP首部及UDP首部的数据传输任务；若以太网资源网络接口请求写数据有效，且以太网资源网络接口传送帧头标示无效，则数据传输进入传输错误状态S3，此时只有硬件复位才能跳转到传输空闲状态S0，否则将一直停留在传输错误状态S3；传输起始状态S1结束后，数据传输进入数据转发状态S2，此状态主要完成将从以太网资源网络接口接收到的数据进行转发，当收到尾微片时，完成整帧数据的传输，数据传输进入传输空闲状态S0，等待下一帧数据的传输；

以太网资源网络接口的工作过程如下：

当以太网资源网络接口使能时，数据接收进入接收空闲状态A0；当以太网资源网络接口接收到片上网络发出的读数据传输请求时，数据接收跳转到接收等待状态A1；若此时FIFO模块为满时，停留在接收等待状态A1，若此时FIFO模块为空时，就向片上网络回复数据接收命令，数据接收跳转到接收状态A2，开始接收数据，此状态RNI开始接收片上网络的数据；若接收到数据，即FIFO模块不为空时，数据接收进入数据转发状态A3，此状态主要接收来自片上网络的数据包，同时向以太网模块传输数据，当接收到尾微片后，数据接收跳转到接收空闲状态A0，至此，完成整个数据包的接收；

当以太网资源网络接口使能且以太网模块处于工作状态时，数据发送进入发送空闲状态B0；当以太网资源网络接口收到以太网模块的写数据请求时，数据发送跳转到发送等待状态B1；若此时FIFO模块为满时，停留在发送等待状态B1，若此时FIFO模块为空时，就向以太网模块发送以太网资源网络接口读数据有效命令，并且数据发送跳转到接收状态B2，开始接收数据，此状态RNI开始接收以太网模块的数据；若接收到数据，即FIFO模块不为空时，数据接收进入数据转发状态B3，此状态主要是接收以太网模块的数据，并将数据发送到片上网络，当发送到尾微片后，数据发送跳转到发送空闲状态B0，至此，完成整个数据包的接收。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、为片上网络设计专用的千兆以太网资源节点，克服传统片上网络数据传输效率低、速度慢的问题。

2、硬件电路简单，耗费较少的FPGA资源，满足了高速数据传输的要求。

3、所设节点模块化程度高，具有良好的可移植性。

附图说明

图1为一种片上网络与PC机通信的原理示意图；

图2为图1中千兆以太网资源节点总框图；

图3为千兆以太网资源节点的数据帧格式示意图；

图4为千兆以太网资源节点的以太网模块的原理框图；

图5为千兆以太网资源节点的以太网模块的数据包传输状态流程图；

图6为千兆以太网资源节点的以太网资源网络接口的原理框图；

图7为千兆以太网资源节点的以太网资源网络接口的数据接收状态转移图；

图8为千兆以太网资源节点的以太网资源网络接口的数据发送状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行阐述，但不是对本发明内容的限定。

一种片上网络千兆以太网资源节点，包括连接在片上网络和PC机之间的千兆以太网资源节点。该千兆以太网资源节点由以太网模块和以太网资源网络接口组成。上述以太网模块包括UDP解包与组包模块、三速以太网IP核和三速以太网IP核控制器。UDP解包与组包模块，用于对所传数据进行UDP组包和解包处理。三速以太网IP核，用于千兆以太网MAC层数据的传输。三速以太网IP核控制器，用于设置三速以太网IP核的工作模式。上述以太网资源网络接口包括FIFO模块和RNI控制器。FIFO模块，用于对接收和发送数据的存储。RNI控制器，用于片上网络和千兆以太网之间不同协议数据的转换和转发。

参见图1，为了实现片上网络与PC机的通信，本发明在片上网络与PC机之间增设了一个千兆以太网资源节点。该千兆以太网资源节点，如图2所示，由以太网资源网络接口(即以太网RNI(Resource Network Interface)接口)和以太网模块组成。以太网资源网络接口作为连接片上网络和以太网模块的桥梁，其主要作用是完成以太网资源节点与片上网络通信的分离，使得资源节点不受通信网络的构架限制，提高设计的重用性。以太网模块，基于UDP(User Datagram Protocol)协议，旨在利用较少的片上资源实现基本的以太网通信。

图3为千兆以太网资源节点传输数据帧的结构图，该数据帧主要由两部分构成，前一部分是在片上网络中传输的数据包，后一部分是千兆以太网中传输的数据帧。前者作为独立的数据包在片上网络中传输，并作为后者的UDP净荷在以太网中传输。

在片上网络中传输的数据包被分成若干个微片(flit)，为了能使数据包正确到达目的节点，将微片分为3个类型，即头微片、数据微片和尾微片。头微片携带数据包源地址、目的地址、数据包长度等信息。尾微片代表着数据包的终结。数据微片存在于二者之间，是要传递的有效数据。采用的微片共34比特，前两位代表微片类型(01：头微片；10：尾微片；其它：数据微片)。数据包经过以太网资源网络接口时，加入微片类型信息，从而，数据包在从千兆以太网资源节点发出时只需32位数据位宽。

一、以太网模块：

以太网模块主要基于UDP协议，在FPGA上由Verilog HDL硬件编程语言编程实现UDP数据的组包、解包及校验等功能。利用三速以太网(TSE)IP(Intellectual Property)核以及RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口，实现MAC(MediaAccess Control)层功能以及其与PHY(Physical)层接口的连接。采用Marvel M88E1111芯片实现物理层功能。此外，专门设计了针对三速以太网IP核的控制器，其功能主要是通过配置寄存器，设置工作模式，配置MDIO(Management Data Input/Output)接口，以实现与物理层芯片的通信。系统框图如图4所示。

在本发明中，以太网模块包括UDP解包与组包模块、三速以太网IP核和三速以太网IP核控制器。UDP解包与组包模块，用于对所传数据进行UDP组包和解包处理。三速以太网IP核，用于千兆以太网MAC层数据的传输。三速以太网IP核控制器，用于设置三速以太网IP核的工作模式。

1、UDP组包与解包

UDP组包与解包模块主要包括计算校验和、数据包传输以及数据输出管道三个部分。校验和的计算主要分为以下几个步骤：第一步：把伪首部添加到UDP上。第二步：初始化，相关寄存器清零，校验和字段清零。第三步：获取UDP payload长度，计算总长度。把所有字段划分为16位的字相加，把进位加到运算结果的低位上。第四步：将获得的16位数的运算结果取反就得到了校验和。

数据包的传输状态流程图如图5所示。数据组包与解包的同时伴随着数据包的传输。当启动信号有效，即Go_bit＝1时，数据包传输进入空闲态S0，若以太网资源网络接口请求写数据有效，且以太网资源网络接口传送帧头标示有效，数据包传输进入状态S1，此状态主要完成MAC首部、IP首部及UDP首部的数据传输任务。若以太网资源网络接口请求写数据有效，且以太网资源网络接口传送帧头标示无效，则数据传输出错，进入出错状态S3，此时只有硬件复位才能跳转到空闲态，否则将一直停留在错误状态。状态S1结束后，会进入状态S2，此状态主要在将从以太网资源网络接口接收到的数据进行转发，即传输UDP payload(UDP数据净荷)。当收到尾微片时，完成整帧数据的传输，数据传输进入空闲态，等待下一帧数据的传输。

2、三速以太网IP核控制

三速以太网IP核控制器完成三速以太网IP核的配置工作。三速以太网控制器主要有以下三项功能：(1)配置与三速以太网IP核工作模式相关的寄存器，来设置三速以太网IP核的工作模式。(2)配置与数据收发FIFO(First Input First Output)相关的寄存器，来设置数据收发接口的工作方式。(3)配置三速以太网IP核的MDIO接口寄存器，来完成与PHY芯片间的通信。

三速以太网IP核控制器的工作流程如下：复位时会停止收发通道，清空相应寄存器以及收发FIFO。复位成功后，设置寄存器，设置三速以太网IP核的的工作模式。寄存器配置完成后，通过将command config(命令设置)寄存器中的TX_ENA和RX_ENA位设置为1来启动三速以太网IP核。

二、以太网资源网络接口：

以太网资源网络接口的主要功能是数据接收和数据发送。数据接收是指接收来自资源节点的数据，并按照相关协议组包，将组装好的数据包交由路由网络。数据发送是指接收来自路由网络的数据包，并按照相关协议解包，将解包后的数据传送给资源节点。以太网资源网络接口框图如图6所示。

在本发明中，以太网资源网络接口包括FIFO模块和RNI控制器。FIFO模块，用于对接收和发送数据的存储。RNI控制器，用于片上网络和千兆以太网之间不同协议数据的转换和转发。

1、RNI数据接收

片上网络传输数据主要采用虫洞路由的方式，即在开始通信之前，源节点通过一个头信息建立路径，并且同时预定所经路径的信道资源，目的节点在收到这个信息头后将沿原路返回一个应答信号，源节点收到这个应答信号后，数据便以既定路径流向目的节点。

在片上网络中传输的数据包由1个头微片、N-2个数据微片和1个尾微片构成。头微片的包长度为34，分别由微片类型、帧总数、本帧序号、帧长、目的地址和源地址组成。其它微片除首部两位为微片类型，其余均为数据位。当源节点发送的数据包到达目的节点后，目的节点会将数据包从本地接口经由RNI控制器传输到以太网模块。以太网资源网络接口的数据接收状态转移图如图7所示。

当以太网资源网络接口使能时，数据接收进入状态S0，路由节点的本地端口向RNI发出数据传输请求，数据接收跳转到状态S1，若此时RNI接收FIFO满时，停留在状态S1，若为空，就向路由节点的本地端口回复数据接收命令Gra_to_loc＝1，数据接收跳转到状态S2，开始接收数据，若接收到数据，即FIFO不为空时，数据接收进入状态S3，此状态主要接收来自片上网络的数据包，同时向以太网模块传输数据，当接收到尾微片后，数据接收跳转到状态S0，至此，完成整个数据包的接收。

2、RNI数据发送

RNI数据发送状态转移图如图8所示。当以太网资源网络接口使能且以太网模块处于工作状态时，数据发送进入状态S0。当以太网资源网络接口收到以太网模块的写数据请求时，数据发送跳转到状态S1。若此时数据接收FIFO满，停留在状态S1，且为空，就向以太网模块发送以太网资源网络接口读数据有效命令RNI_read_valid＝1，并且数据发送跳转到状态S2，开始接收数据。若接收到数据，即FIFO不为空时，数据接收进入状态S3(此状态主要是接收以太网模块的数据，并将数据发送到片上网络)，当发送到尾微片后，数据发送跳转到状态S0，至此，完成整个数据包的接收。

本发明为片上网络设计了基于UDP的千兆以太网资源节点。设计耗费较少的FPGA资源，硬件电路简单，数据传输速率高，有效的提高了NoC和PC机间数据的通信效率。

上述片上网络千兆以太网资源节点的工作方法，包括以太网模块的工作过程和以太网资源网络接口的工作过程；

上述以太网模块的工作过程如下：

以太网资源网络接口的工作过程如下：

实施例表明，本发明在数据传输速率、数据传输效率、芯片面积开销和扩展性方面具有一定的优势。提供高速、高效的数据传输服务并且不需要额外的增加面积的开销。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种片上网络千兆以太网资源节点，其特征是，该千兆以太网资源节点增设连接在片上网络和PC机之间，并由以太网模块和以太网资源网络接口组成；

上述以太网模块包括UDP解包与组包模块、三速以太网IP核和三速以太网IP核控制器；UDP解包与组包模块，用于对所传数据进行UDP组包和解包处理；三速以太网IP核，用于千兆以太网MAC层数据的传输；三速以太网IP核控制器，用于设置三速以太网IP核的工作模式；

上述以太网资源网络接口包括FIFO模块和RNI控制器；FIFO模块，用于对接收和发送数据的存储；RNI控制器，用于片上网络和千兆以太网之间不同协议数据的转换和转发。

2.根据权利要求1所述的一种片上网络千兆以太网资源节点，其特征是，千兆以太网资源节点所传数据的数据帧由两部分构成，前一部分是在片上网络中传输的数据包，后一部分是千兆以太网中传输的数据帧；前一部分作为独立的数据包在片上网络中传输，并作为后一部分的UDP净荷在以太网中传输。

3.权利要求1所述一种片上网络千兆以太网资源节点的工作方法，其特征是，包括以太网模块的工作过程和以太网资源网络接口的工作过程；

上述以太网模块的工作过程如下：

以太网资源网络接口的工作过程如下：

当以太网资源网络接口使能时，数据接收进入接收空闲状态A0；当以太网资源网络接口接收到片上网络发出的读数据传输请求时，数据接收跳转到接收等待状态A1；若此时FIFO模块为满时，停留在接收等待状态A1，若此时FIFO模块为空时，就向片上网络回复数据接收命令，数据接收跳转到接收状态A2，开始接收数据，此状态RNI控制器开始接收片上网络的数据；若接收到数据，即FIFO模块不为空时，数据接收进入数据转发状态A3，此状态主要接收来自片上网络的数据包，同时向以太网模块传输数据，当接收到尾微片后，数据接收跳转到接收空闲状态A0，至此，完成整个数据包的接收；

当以太网资源网络接口使能且以太网模块处于工作状态时，数据发送进入发送空闲状态B0；当以太网资源网络接口收到以太网模块的写数据请求时，数据发送跳转到发送等待状态B1；若此时FIFO模块为满时，停留在发送等待状态B1，若此时FIFO模块为空时，就向以太网模块发送以太网资源网络接口读数据有效命令，并且数据发送跳转到接收状态B2，开始接收数据，此状态RNI控制器开始接收以太网模块的数据；若接收到数据，即FIFO模块不为空时，数据接收进入数据转发状态B3，此状态主要是接收以太网模块的数据，并将数据发送到片上网络，当发送到尾微片后，数据发送跳转到发送空闲状态B0，至此，完成整个数据包的接收。