基于ZYNQ的光纤-以太 高速传输系统设计

为满足合成孔径雷达实时成像、数据回放等高速可靠数据传输需求，解决传统数据传输系统由于接口要求高、体积与功耗大以及 络配置不灵活等原因不适合用于外场试验的问题，基于 ZYNQ 芯片设计一种光纤接口到以太 接口的数据传输系统。主要介绍数据传输流程的实现方法，并提出一种三级乒乓和指令并行的优化策略保证数据正确，提高传输速度；通过移植嵌入式 Linux 系统实现灵活修改 络配置。与传统方案相比，该系统在体积、功耗和灵活性上具有明显优势。经实验验证，数据传输速度可达 770 Mb/s。

飞行试验获取合成孔径雷达（ SAR ）数据需要消耗大量资源，一般使用计算机实现与雷达系统的高速数据传输。雷达系统普遍使用光纤接口，而绝大部分计算机没有光纤接口，需要一种将光纤接口转为计算机通用接口的高速数据传输系统  。

1 系统设计

1.1 系统简介

数据传输系统使用 ZYNQ 单主控芯片实现， 有 2路光纤与 1 路千兆以太 接口，系统架构如图 1 所示。

图 2 Aurora IP 用户接口

图 2 中， tx_tready 在输出信 被接收并且数据准备发送时断言， tx_tvalid 在输出流信 或源信 有效时断言，这样将数据从应用程序移动到 tx_data 总线并执行流控制，实现发送。当 tx_tvalid 取消断言时，字间会创建并保留间隙。数据到达接收侧时， rx_tvalid 被断言， 从用户接口 rx_tdata 总线将数据移动到应用程序并执行流控制，实现数据接收。数据必须立即读取，否则将丢失。 接口使用先进先出（ FIFO ）方式保存数据，将 rx_tvalid 用作 FIFO 写使能。

系统使用 2 路 Aurora IP 用户接口， 数据位宽为32 bit ，每路速率为 2.5 Gb/s ，参考时钟为 125 MHz ，用户时钟为 PS 提供的 150 MHz 时钟。Aurora IP 核在物理层进行 8B/10B 编码， 2 路 Aurora 协议可提供 4 Gb/s的数据速率，可保证数据稳定正确传输并超过系统后级千兆以太 的速率。

1.2.2 AXI_HP 接口

2 路使用 Aurora 协议的光纤接口速率（ 4 Gb/s ）与千兆以太 速率（不到 1 Gb/s ）之间存在差异，需要将数据暂存后等待以太 发送完毕。ZYNQ 系列 PL 逻辑资源较少， xc7z030ffg676 的 Block RAM 仅有 9.3 Mb 。系统采用 DDR3 实现高速数据缓存。DDR3 控制器位于 PS 部分， 光纤接口输入的数据需通过 AXI 互联矩阵写入 DDR3 。位于 PS 与 PL 间的 ARM AMBA 3.0 互联矩阵实现主、从设备间的地址、数据和响应事件的点对点通信，有加速一致性（ AXI_ACP ）、高性能（ AX-I_HP ）和通用（ AXI_GP ） 3 种接口。AXI_HP 接口基于AXI 3.0 协议， 为 PL 部分提供到 DDR 和片上存储器（ OCM ） 内存的高带宽数据通路， 在使用 64 bit 位宽、150 MHz 时钟时可提供 1200 MB/s 带宽， 接近 DDR3读写带宽并远高于后级以太 1 Gb/s 带宽。通过使用AXI Interconnect IP 将 AXI_HP 接口转为 AXI4 协议。AXI4 采用 READY/VALID 握手通信机制进行数据传输， READY 和 VALID为高时，数据在每个时钟的上升沿进行有效传输。

AXI4 总线含有读地址通道、写地址通道、读数据通道、写数据通道、写应答通道和系统信 （总线时钟ACLK 、 总 线 复 位 ARESETN ）， 其 中 多 个 通 道 有READY/VALID 握手机制，控制信 多，使用复杂。将AXI4 协议进行封装，只引出少数信 给用户，这样可以大幅缩短后期开发和维护周期。PL 为 AXI_HP 的主设备，模块命名为 AXI master 。AXI master 由有限状态机实现，状态转移图如图 3 所示。

图 4 串行策略流程图

为提高速度，在 PL 写入 DDR3 、 Linux 读取 DDR3通过 TCP 发送和上位机接收数据写入磁盘三部分采用乒乓操作。DDR3 被分为高、低地址两部分，光纤数据被乒乓写入 2 块空间。Linux 将 2 块空间数据乒乓发送，读到低地址标识后读取低地址数据，同时发送高地址数据。上位机先发送 2 次传输指令，使发送传输指令与判断接收完成这 2 个操作错位以实现并行处理的优化方案。在开始传输后，上位机预先发送传输一包数据的指令给记录器， 再按照发一包指令、收一包数据的流水线处理，并且建立 2 条流水线以实现数据接收和数据落盘的乒乓操作，到最后一包时不发送指令，只接收数据。此方案在上位机接收数据时数据传输系统可以准备好下一包的数据等待上位机接收，在处理连续数据时可大幅提升传输速度。优化策略流程图如图 5 所示。

嵌入式 Linux 在检测到 PL 写入 DDR3 的数据可读标识后使用读描述符进行内存映射，将数据拷贝至TCP 发送缓冲区。拷贝完成后使用写描述符进行内存映射，清除标识，通知 PL 准备下一包数据。共享内存映射比单内存映射提升 36.5% 的拷贝速度。

2 系统实现

2.1 嵌入式 Linux 移植

PS 需要从非易失性存储器中启动嵌入式 Linux系统和应用程序 （ APP ）。ZYNQ 系列有 JTAG 、 SD 卡、QSPI Flash 和 NAND Flash 4 种启动方式。因为 SD 卡接插件难以满足可靠性要求， 且 ZYNQ 不支持 eMMC作为主启动设备，所以本系统采用 QSPI Flash 启动挂载 eMMC 作为外部存储的方案。

Xilinx 提供了 Linux 移植工具 petalinux ，可以很方便实现 Linux 的配置、裁剪。移植过程如下：

① 生成 bit 流文件。使用硬件描述语言完成 PL 部分逻辑功能， 并根据硬件平台管脚使用情况对 ZYNQIP 核进行配置，编译整个工程生成 bit 流文件。

② 导入 bit 流文件。在 Linux 虚拟机中依照 ZYNQLinux 模板生成工程，将 bit 流文件作为硬件描述信息导入工程， Linux 通过 bit 流文件实现部分自动设备树文件配置。

④ 打包 bin 文件。使用 petalinux 将 PL 部分配置文件 bit 流文件、 kernel 文件、第一阶段引导文件（ FS-BL）和U-boot 打包生成 BOOT.bin 文件。

⑤ 固化 Flash 。将生成的 BOOT.bin 文件和 petal-inux 工具生成的 fsbl.elf 文件烧写进 Flash 中， 实现上电自启动嵌入式 Linux 操作系统。

2.2 PC 上位机

PC 上位机使用 线连接数据传输系统，异步 232串口连接信 源。上位机实现用户和界面交互，可设置串口 、传输数据包大小和文件大小。系统连接后，PC 上位机发送查询段地址指令建立 TCP 客户端连接数据传输系统，同时信 源会返回数据列表，然后选择兴趣数据段和文件存储路径后发送传输指令，最后接收数据传输系统的 TCP 数据并记录到本地磁盘。

3 系统测试

4 结束语

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