基于FPGA实现的数据高速传输与存储的研究

发布时间：2017-03-28 07:04

  本文关键词：基于FPGA实现的数据高速传输与存储的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在互联网、航天、生物、土木、测量仪器等领域,科研工作者们越来越依赖于对大规模数据的分析和利用。尤其在土木测量领域,科研人员需借助于建筑物的实时、高分辨率的图像进行力学上的分析。虽然相机阵列的使用解决了高分辨率图像采集的问题,但是对数据的传输、存储速率以及传输通道的可扩展性又提出了更高的要求。本课题旨在研究并设计一套基于PCI-E点对点数据交换的传输方案,以满足数字图像测量系统对数据传输与存储的需求。本文首先通过实验分析了传统图像传输和存储系统的缺陷,并据此对系统需求进行了详细的分析。从数据传输的速率、存储结构以及同步性能几方面入手,研究并制定出了基于PCI-E Switch专用芯片以及FPGA主控设备的PCI-E点对点的数据交换方案。在系统设计中,本文采用Xilinx XC7K325T作为主控芯片,并基于此设计了PCI-E接口模块、链式DMA模块、AXI片内总线控制模块、系统时钟与复位模块以及FPGA端核心用户逻辑部分。为了验证硬件逻辑的完整性和有效性,以及PCI-E硬核和DMA引擎的数据收发能力,设计了一套基于上位机的验证方案。通过底层驱动程序的控制,实现主机内存与PCI-E设备内存的点对点数据交换,并获取了PCI-E设备的性能参数。其次,本文对PCI-E TLP包格式及路由原理进行了详细的分析,根据PCI-E Switch工作原理介绍了寄存器的配置过程。最后研究和设计了FPGA主控端的控制逻辑,由AXI片内总线发起DMA直接对PCI-E总线读写的控制,满足PCI-E设备间数据点对点传输的路由原理。本文设计了一套基于PCI-E点对点通信的数据传输与存储系统,并给出了主控端核心部分的设计、实验及仿真。实验结果表明,FPGA主控端硬件逻辑所产生的PCI-E链路数据正确,并能够实现单通道300MB/s以上的传输速率,可以满足PCI-E设备间大数据量点对点的传输需求。
【关键词】：数据传输 点对点(Peer-to-Peer) PCI-E Switch FPGA DMA
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TP333
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题的来源以及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.2.1 数字图像测量的研究现状10
• 1.2.2 数据传输总线研究现状10-11
• 1.2.3 图像传输与存储系统的研究现状11
• 1.3 本文的主要工作11-12
• 1.4 论文的章节安排12-13
• 第二章 基于FPGA的数据高速传输与存储系统方案研究与设计13-28
• 2.1 系统需求分析13-16
• 2.1.1 数字图像测量系统的结构需求分析13-14
• 2.1.2 数字图像采集系统的速度需求分析14-15
• 2.1.3 数字图像测量系统的同步性能需求分析15-16
• 2.2 系统核心方案设计以及可行性分析16-22
• 2.2.1 系统方案设计16-18
• 2.2.2 可行性分析18-22
• 2.3 系统的硬件选型22-24
• 2.3.1 主控设备22
• 2.3.2 接口转接卡22-23
• 2.3.3 PCI-E Switch器件23
• 2.3.4 FPGA选型23-24
• 2.4 系统设计24-27
• 2.4.1 系统设计工具简介24
• 2.4.2 数字图像测量系统设计方案24-26
• 2.4.3 数据传输与存储通道的详细设计方案26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 基于PCI-E的DMA传输设计与验证28-50
• 3.1 PCI-E链路结构研究28-29
• 3.1.1 PCI-E总线信号28
• 3.1.2 PCI-E层次结构28-29
• 3.2 PCI-E接口设计29-34
• 3.2.1 PCI-E IP硬核结构分析29-30
• 3.2.2 时钟信号设计30-32
• 3.2.3 复位信号设计32-33
• 3.2.4 PCI-E Core的生成33-34
• 3.3 DMA传输模块设计34-38
• 3.3.1 DMA数据传输原理研究34-36
• 3.3.2 AXI DMA Backend Core结构分析36-37
• 3.3.3 DMA接口设计37-38
• 3.4 FPGA与上位机数据交换系统设计38-41
• 3.4.1 系统设计38-39
• 3.4.2 软件设计39-41
• 3.5 AXI总线控制器设计41-49
• 3.5.1 AXI总线简介42-43
• 3.5.2 AXI总线控制器结构分析43-44
• 3.5.3 AXI总线控制的用户逻辑实现44-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 基于PCI-E SWITCH的数据交换系统主控端研究与设计50-61
• 4.1 PCI-E链路数据包以及路由原理简介50-55
• 4.1.1 PCI-E链路数据包格式50-52
• 4.1.2 存储器、I/O和配置读写请求TLP52-53
• 4.1.3 基于PCI-E Switch的TLP路由原理53-55
• 4.2 PCI-E SWITCH工作原理及配置方法55-57
• 4.3 DMA主控端逻辑设计57-60
• 4.3.1 DMA收发引擎数据传输57-58
• 4.3.2 直接DMA PCI-E总线读写58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 PCI-E点对点通信链路主控端设计结果与验证61-70
• 5.1 实验平台与环境61-62
• 5.2 上位机与FPGA主控端数据交换验证62-64
• 5.3 主控端DMA直接发起PCI-E读写控制64-69
• 5.3.1 直接DMA发起PCI-E总线Peer-to-Peer存储器写请求65-67
• 5.3.2 直接DMA发起PCI-E总线Peer-to-Peer存储器读请求67-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-73
• 6.1 总结70
• 6.2 存在的问题与展望70-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：271826