基于FPGA的GigE Vison IP设计要点分析

本文简要描述基于FPGA和万兆网的GigE Vison IP设计方案。

一、GigE Vsion协议要点

GigE Vison协议基于普通的以太网物理链路，运行在UDP协议层之上，包含控制协议GVCP和数据流协议GVSP两大部分，整个层次结构如下图1所示。

图1 GigeVison协议层次结构图

GigE Vison协议的要点如下：

（1）上电或复位完成后必须先进行IP配置和设备枚举，必须支持DHCP和LLA（Auto IP）两种IP配置方式；

（2）在UDP层上建立应答握手机制以保证传输，GVCP采用3956端口，数据长度必须以32bit为边界，数据不可分包传输；

（3）设备必须支持心跳功能以确认处于连接状态；

（4）支持控制（1个）、数据流（1~512个）和消息（0~1个）三种通道，每个通道分配不同的UDP端口，控制通道支持三种不同的访问权限；

（5）必须支持最小规模的ICMP（GigeVsion要求必须支持Ping命令）；

（6）GVSP的数据包以字节为边界，数据包的大小由第一个有效的test packets决定，支持错误恢复和流控制；

（7）GVSP数据传输的单位为Block，一个完整的Block由Data Leader、Data Payload和Data Trailer构成；

（8）所有的Gige Vison相机都必须在他们的XML描述文件中强制制定相机的参数信息。

（9）bootstrap寄存器及XML文件需要非易失Flash硬件支持。

二、IP功能设计方案要点描述

GigE Vison逻辑IP需要实现图1所示的所有协议层，方案中硬件平台基于Xilinx 7系列器件XC7K325T/XC7K160T，下图2是GigE Vision IP核的模块框架结构。

图2 GigE Vision IP核的框架结构

（1）物理层

物理层使用Xilinx 10G Ethernet Subsystem IP核，版本v3.1。对外数据接口例化为AXI4 Stream，位宽64bit，数据时钟156.25MHz；配置接口例化为AXI4-Lite，位宽32bit，时钟频率100MHz。

IP核配置通过Microblaze软核完成，并且使能Jumbo帧功能。功能、接口、配置和使用说明参见Xilinx官方文档PG157。

（2）IP/UDP层

IP层协议仅支持IPv4版本，IP数据报头Options项为空；需要支持DHCP、ARP和ICMP协议，内部通信采用64位AXI4 Steam总线通信。

（3）GVCP/GVSP协议

支持GigE Vison Specification version 1.0标准描述的所有必须支持的项，GVSP数据包负载类型支持Payload type = RawData/YUV422-8bit/RGB888。为完整实现功能，部分控制放在处理器上完成（本设计实例使用MicroBlaze），需要掉电保存的项存储在外部Flash中，需要大量缓存的数据存储在片外DDR中。

RTL描述语言使用Verilog，编译工具使用XilinxVivado2016.4，仿真工具使用ModelSim 10.2C。

备注：

（1）为简化逻辑端的设计难度，可将GVCP协议放在Microblaze里面实现，使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS里运行；

（2）物理层使用千兆网的，本方案仍然可行，只需修改物理层接口即可；使用ZYNQ系列器件的，可以直接在PS里软件实现所有的GVCP和GVSP协议；

三、测试结果

在Xilinx K7 325T器件上实现完整的系统（包括DDRMig、Microblaze等），占用Slice约30K。

与PC进行点对点数据传输测试，稳定传输速率约为6.5Gbps，可轻松传输4K无压缩原图或一些特殊图像数据如超声、CT、雷达等原始数据。