FPGA軟核高速網絡測試儀控制平臺

文/鄧峰 王穎

隨著網絡的發展和普及，中國骨干網容量大增，單端口帶寬能力從Kbps提升10Gbps，骨干網帶寬已超100Tbps。隨著人工智能、汽車、醫療和金融等領域的發展，對于網絡帶寬的需求會呈現穩定增長的趨勢。根據《中國互聯網絡發展狀況統計報告》數據顯示：截止2018年12月，我國國際出口帶寬數約8.9Tbps，我國寬帶網絡平均可用下載速率已經到達28Mbps，均呈現逐年上升的趨勢。在網絡速度日漸提高的同時，高速率網絡測試儀和SDR等高速通信設備的研發也日趨火熱。

圖1：系統架構

1 系統設計架構

圖1是測試儀控制平臺系統結構，其中數據平臺使用Verilog HDL軟核實現，以保證系統性能。處理器是整個控制平臺的核心，采用Xilinx MicroBlaze 軟核。

核內存儲：MicroBlaze使用BlockRAM作為Cache，使用LMB總線與系統相連，這一部分對控制平臺軟件透明。

AXI4-Lite總線：Xilinx最新的嵌入式方案采用AXI4總線體系，其中AXI4-Lite總線是最簡單的一種總線。為了減小系統的復雜度，在可以滿足功能的條件下盡可能使用該總線，該總線上連接有看門狗、定時器、UART以及數據平臺。

看門狗：為了保證程序由于意外(例如強干擾)跑飛時，能夠自動回復使用該模塊。

計時器：為了保證可以使用時間片調度，提高網絡測試儀的擴展性使用該模塊。

UART：用于研發期間的調試。

數據平臺：這部分參考NetFPGA10G方案，使用具有自主知識產權IP核，該部分完成包生成，比對和統計等高速信號處理。

AXI4總線：由于PCIe橋(Bridge)必須要DDR3模塊的配合完成DMA操作，故這里我們的DDR3與PCIe模塊都連接與AXI4總線。PCIe總線工作于從機模式，連接至PC(或工控機)PCIe插槽，完成和上位機的通信。

圖3：控制平臺流程圖

2 網絡測試儀軟件層次

控制平臺層次如圖2所示。

從上至下一共3層，最高層應用層可以細分為兩層，下面對每層的功能分別說明：

調度框架：實現所有模塊任務的整合，采用時間片輪轉算法調用各模塊的任務函數，完成控制任務。

模塊任務層：使用抽象層代碼實現該模塊在系統中承擔的任務。

抽象層：封裝物理層驅動，統一化出錯(異常)等處理，向上隔離驅動層的易變性，簡化模塊任務層代碼。

驅動層：實現各硬件模塊的驅動。

3 控制平臺流程

控制平臺流程如圖3所示。

初始化：首先，設置各模塊(PCIe、看門狗、數據通道、定時器、串口)為默認工作模式；然后將時間片設置為1，開啟定時器中斷；

喂狗：時間片1中將看門狗值設置為初始值，避免程序自動復位；

讀取PCIe數據：時間片2讀取工控機(PCIe)傳來的配置信息；

配置數據通道：時間片3解析PCIe傳來的配置信息，并寫入數據通道寄存器，間接控制數據通道工作；

空閑：為了便于每輪調度的時間值為一個便于管理的值，將4、5時間片設置為忙等模式；

修改時間片：該功能在定時器中斷中完成。

其中，調度中時間片的長度必須大于四個任務中耗時最長的任務，每輪時間片的長度由下式計算：

每輪時間 = 時間片長×時間片數

4 以太網二層測試方案

目前 RFC2544標準測試是所有二層設備入網前的基本測試，為了今后網絡測

試儀項目的開展，整理出RFC2544中定義的測試指標，并給出相應的測試方法和方案，用于指導后期邏輯(Verilog)及控制軟件(MicroBlaze C/C++)對二層(以太網)測試的研發。RFC2544中定義的最重要4個測試參數為吞吐率、丟包率、時延和背靠背。測試網絡（設備）時拓撲結構如圖4所示。

圖4：測試網絡（設備）時系統拓撲結構

5 結論與展望

本設計架構設計新穎，可以借助FPGA的硬件邏輯完成以太網組包、解析、測試、分析等功能來取代傳統使用NP（網絡處理器）完成的工作，不受性能的約束，后續可以擴展到4～7層網絡測試。通過PCIE接口提高穩定性，可以插入多張網絡測試卡實現更高速率的帶寬測試。