基于以太网的数据采集系统在FPGA上实现

以太网测试仪中基于FPGA的FCS实现摘要以太网测试仪在流量发生以及数据接收检测过程中，都需要计算fcs，还要能支持线速。

本文简要介绍了以太网帧fcs的计算方法，分析了基于fpga的实时fcs计算面临的问题，提出了一种兼容10/100/1000mbps三种速率的fcs计算实现。

【关键词】以太网 fpga fcs vhdl作为高性能以太网测试仪，全线速的流量发生与接收检测已成为必备功能。

以10/100/1000m以太网为例，速率越高，所用时钟频率越高，时钟周期越小，对发送和接收的设计要求也越高。

由于普通网卡缓存受限，加之发送时需要主机cpu参与，无法达到全线速，因此大多数测试仪都采用fpga+phy的方案，利用fpga在时序控制、并行处理等方面的优势，辅之以存储芯片，很好地解决了线速处理的问题。

在以太网测试中，涉及fcs（帧校验和）实时计算，特别是在线速下。

本文通过一款测试仪中流量发生设计实践为例，对实际中所遇到的问题进行分析，给出10/100/1000m三种速率下fcs的vhdl实现方法和仿真结果。

1 fcs计算方法在ieee std 802.3 csma/cd接入方法和物理层规范中，规定了fcs 的算法为32比特循环冗余校验（crc32），生成多项式：g（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+ 12 vhdl实现在硬件设计上，fpga与phy芯片之间采用mii和gmii接口。

10/100m采用mii接口，发送时钟分别为2.5mhz、25mhz，数据宽度4bit;1000m采用gmii接口，发送时钟125mhz，数据宽度8bit。

在利用fpga实现fcs时，就需要考虑三种不同时钟频率以及两种不同的数据宽度的处理。

2.1 10/100m10/100m宜采用4bit宽度的并行crc32算法，硬件实现电路如下：next_crc（0）<=（d（0） xor c（28））;next_crc（1）<=（d（1）xor d（0）xor c（28）xor c （29））;……next_crc（31）<=c（27）;其中，d[3：0]为输入的4bit宽度数据，c[31：0]为前一次crc32计算结果，next_crc[31：0]为输入4bit数据后计算出的新的结果。

10G以太网接口的fpga实现，你需要的都在这里了随着FPGA在数据中心加速和Smart NIC在SDN和NFV领域的广泛应用，基于以太网接口的FPGA开发板越来越受到关注。

而更高速率的以太网接口技术则是应用的关键，本文将详细介绍基于FPGA 的10G以太网接口的原理及调试技术。

欢迎留言讨论。

10G以太网接口简介1、10G以太网结构10G以太网接口分为10G PHY和10G MAC两部分。

如下图所示。

本设计中使用了Xilinx公司提供的10GEthernet PCS/PMA IP核充当连接10GMAC的PHY芯片，然后将该IP核约束到光模块上构建完整的物理层。

需要说明的是本设计主要是完成以太网二层逻辑设计，不涉及PHY层的逻辑设计，如：bit同步、字节同步、字同步、64b/66b编解码等。

2、10G以太网接口PHY10G EthernetPCS/PMA的整体结构如图5.2所示，其核心是基于RocketIO GTH/GTX来实现的。

从图中可知，该模块分为PCS层和PMA层，对于发送数据，PCS层主要功能是对数据进行64B/66B编码、扰码、发送变速等功能。

同时在测试模式下还提供了一个测试激励源，用于对链路进行检测。

PMA层的主要功能是提供并串转换、对串行信号进行驱动并发送等功能。

对于接收数据，PMA层的主要功能是将接收到的高速差分信号进行串并转换、bit同步、时钟恢复等功能，PCS层对于从PMA层接收到的数据进行块同步、解扰码、64B/66B 解码、弹性缓存等。

同时在测试模式下还提供测试激励检测功能，用于检测链路工作状态。

在接口调试过程中，可能用到PMA层的近端环回和远端环回功能。

PMA近端回环，用于测试IP核内部自回环；PMA远端回环，用于将接收到的远端10G PHY发送的的数据在PMA层直接回环发送给远端10G PHY，而不经过本地的PCS层。

3、10G以太网接口时钟布局设计由于10G Ethernet PCS/PMA是Xilinx官方提供的一款IP核，所以我们需要做的工作是结合开发板的实际情况，为该IP核以及其他模块设计合理的时钟电路，使其能够正常工作。

基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现的开题报告一、选题背景与意义在现代工业领域，高速数据采集是必不可少的环节，对于某些应用场景，如医学图像、通信信号和自然界信号的采集等，必须保证采样率高、抗噪性强的特点。

面对如此巨大的数据采集挑战，传统基于PC机的采集系统已经难以满足实时性和高速性的要求，而基于FPGA的高速数据采集系统从其高速、高精度、低功耗、灵活可靠等诸多特点上来看，成为了实现高速数据采集的首选方案。

因此，本文将对基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现开题进行研究。

二、研究内容本课题旨在通过对基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现开题进行深入研究，侧重于以下几个方面：1. 基于FPGA芯片架构的深入研究，尤其是在高速、可靠、低功耗等方面的性能表现。

2. 研究采样率、信噪比、滤波器等方面在数据采集系统中的应用。

3. 设计高速数据采集控制系统，探究其在高速数据采集系统中的作用和设计原理。

4. 进行基于FPGA的高速数据采集系统硬件电路设计、软件编码及实现，并通过实验验证其性能。

三、研究方法本文采用计算机仿真分析和实验研究相结合的方法，首先通过软件工具对系统进行模拟，了解系统设计的基本原理和方法，然后进行硬件电路设计和软件编码，实现实际的高速数据采集系统，最后对实验结果进行分析和总结。

四、预期成果1. 实现一套基于FPGA的高速数据采集系统，该系统具有高速性、稳定性、可靠性、低功耗等优点。

2. 对该系统进行了性能测试，并分析系统在数据采集过程中的表现及优劣。

3. 从系统设计、电路设计、软件编写三个角度，对基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现开题进行了研究，并提出了可供参考的经验和具体指导意见。

五、可能面临的问题及解决方案1. FPGA硬件电路设计难度大。

解决方案：参考多数学者的研究成果，针对不同应用，找出符合实际需要的电路设计。

2. 信号处理算法的开发。

解决方案：充分利用智能算法，设计高效低延迟的算法并进行实际验证。

基于FPGA的千兆以太网设计一、简介以太网是一种广泛应用于局域网（LAN）的计算机通信技术，其标准化是由IEEE 802.3委员会负责，最初的速度为10Mbps。

随着技术的进步，千兆以太网（Gigabit Ethernet）逐渐成为了主流。

基于现场可编程门阵列（FPGA）的千兆以太网设计能够实现高速数据传输和灵活性，并在计算机网络中发挥着重要作用。

二、设计原理1.物理层（PHY）：物理层负责将数字数据转换为模拟信号，并通过以太网的物理介质进行传输。

常用的物理介质包括双绞线、光纤和同轴电缆。

PHY通常实现了数模转换、模数转换、时钟同步、编解码、调制解调等功能。

2. 介质访问控制层（MAC）：MAC负责协调和管理数据帧在网络中的传输。

它包括数据帧的封装和解封、MAC地址的识别和过滤、数据流的调度和控制等功能。

MAC层通常基于协议进行设计，如以太网交换机的MAC层使用了以太网交换协议（Ethernet Switching Protocol）。

3.高层协议：高层协议负责定义数据帧的格式和传输规则，以及实现数据帧的路由和转发。

常见的高层协议包括网际协议（IP）、传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）等。

设计过程中，首先需要实现PHY层的功能，包括数模转换、调制解调等。

这需要使用FPGA的模拟和数字混合信号处理能力。

接下来，设计和实现MAC层的功能，包括数据帧的封装和解封、MAC地址的识别和过滤等。

最后，根据具体应用需求，添加高层协议的功能和实现数据帧的路由和转发。

三、设计优势1.高性能：FPGA具有并行运算能力和硬件加速特性，能够实现高速数据处理和传输。

相比于软件实现，FPGA可以大大提高系统的性能和响应速度。

2.灵活性：FPGA的可重构特性使得设计可以根据需求进行定制和修改。

设计人员可以根据具体应用需求添加或删除功能模块，并通过重新编程实现更新和升级。

3.低功耗：FPGA的硬件实现相比于软件实现能够更好地利用资源，并减少功耗。

基于FPGA的千兆以太网设计韦宏;付友涛;孔凡鹏;孙洁;刘金涛【摘要】千兆以太网拥有传输速度快、传输距离远、稳定可靠等优点,是当前嵌入式系统的应用热点.FPGA拥有丰富的逻辑和管脚资源,常用于高速数据处理和通信的嵌入式系统.本文描述一个基于FPGA的千兆以太网系统的设计,本设计在硬件上主要使用千兆以太网PHY芯片88E1111和Altera公司的StratixⅢ系列的FPGA,在FPGA的逻辑上实现NiosⅡ嵌入式系统和以太网的MAC控制器,在NiosⅡ系统的软件上移植入MicroC/OS-Ⅱ实时多任务操作系统和NicheStackTCP/IP协议堆栈.在FPGA上实现千兆以太网设计,有效提高了系统的可靠性和集成性,充分扩展FPGA的功能.%Gigabit Ethernet, which has advantages with high-speed transmission, long-distance transmission, high stability and reliability, plays an important role in the current embedded systems. FPGA has rich logic and pins resources, which is often used in high-speed data processing and communication embedded systems. A gigabit Ethernet system is described in this paper. A PHY chip 88E111 and FPGA in Altera Stratix Ⅲ series are used in this system. Nios II embedded system and Ethernet MAC controller are implemented in FPGA, and MicroC/OS-Ⅱ real-time multitask operating system and NicheStack TCP/IP protocol stack are transplanted into NiosⅡ software system. The design of the gigabit Ethernet system was achieved on FPGA. It improved the reliability and integration of the whole system, and extended the functions of FPGA.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)018【总页数】4页(P56-59)【关键词】千兆以太网;FPGA;PHY;TCP/IP【作者】韦宏;付友涛;孔凡鹏;孙洁;刘金涛【作者单位】中国海洋大学,山东青岛 266100;中国海洋大学,山东青岛 266100;中国海洋大学,山东青岛 266100;中国海洋大学,山东青岛 266100;中国海洋大学,山东青岛 266100【正文语种】中文【中图分类】TN919-34;TN919.60 引言随着电子技术的发展，系统设备正向小型化、集成化、网络化发展。

基于FPGA的高速数据采集系统设计随着科技的不断进步，数据采集和处理的速度需求也越来越高。

为了满足这种需求，基于FPGA的高速数据采集系统应运而生。

本文将对其进行阐述，包括其原理、结构、应用和未来发展方向。

一、系统原理FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，通过程序设计可以实现不同的逻辑和功能。

基于FPGA的数据采集系统，即是将FPGA作为处理核心，利用其高速的数据处理能力和可编程性，进行数据采集和处理。

这种系统的原理是将信号输入到FPGA中，通过FPGA的逻辑电路分析、处理、交换和传输等一系列操作，将数据利用高速通信接口传输到处理单元，最终实现高速数据采集和处理的功能。

二、系统结构基于FPGA的高速数据采集系统一般由两部分组成：数据采集模块和数据处理模块。

1. 数据采集模块数据采集模块主要由采样模块、数字信号处理模块、时钟模块和控制模块等组成。

其中，采样模块是整个数据采集模块中最为重要的部分，其主要功能是对模拟信号进行采样、变换为数字信号并存储到缓存中。

数字信号处理模块则对采样得到的信号进行滤波、放大等处理操作，使其符合后续处理的要求。

时钟模块负责对采集数据进行时钟同步，确保数据的完整性和准确性。

控制模块负责控制整个系统的运作和协调各模块的工作，保证系统运行的顺畅和稳定。

2. 数据处理模块数据处理模块主要由处理核心、存储模块和通信模块组成。

其中，处理核心是整个数据处理模块中最为重要的部分，其主要通过FPGA中的逻辑电路对采样数据进行处理、分析和计算等操作，使其符合需求并输出结果。

存储模块是处理模块中用于存储数据的部分，如FPGA中集成的RAM、Flash等存储器件。

通信模块则主要实现数据的传输和交换，包括高速串口、以太网接口、USB接口等。

三、应用领域基于FPGA的高速数据采集系统广泛应用于科学研究、医疗领域、通信技术、工业控制等各个领域。

1. 科学研究：FPGA作为高速数据采集系统的处理核心，在科学研究中起到了重要作用。

基于FPGA的以太网高速数据传输系统的设计杨新华;王用玺;刘欣【摘要】针对传统数据采集传输系统普遍存在的传输速率低、硬件无法升级、实时性和通用性不足等问题,文中提出了一种基于FPGA的以太网高速数据传输方案.该方案采用集成在FPGA内部的Nios Ⅱ作为控制单元,通过移植操作系统和精简TCP/IP协议栈并编写上层应用程序,控制外部千兆以太网PHY芯片实现了数据的高速传输.通过在搭建的实验平台上进行多串口数据采集传输测试,验证了该系统运行稳定、传输速率高、误码率低,同时,该系统也具备了可编程、可裁剪和易扩展的优点.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2013(000)012【总页数】4页(P80-83)【关键词】FPGA;Nios Ⅱ;TCP/IP协议栈;以太网PHY;高速数据传输【作者】杨新华;王用玺;刘欣【作者单位】兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050;甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TP3930 引言随着Internet技术的快速发展，将现场设备和网络结合进行数据的采集和高速传输以实现远程实时监控，成为数据采集处理技术在工业、通信和医疗等方面应用的广泛诉求，与此同时，对组成数据传输通道网络的安全性、实时性和灵活性也提出了更高的要求。

目前，通信设备之间的数据高速传输常见的几种形式为USB总线［1］、现场总线和以太网。

其中，USB总线与现场总线都可以达到400 Mb/s以上的带宽，缺点是传输距离比较短。

而以太网端到端的传输距离可以达到100 m，并能够借助中继器或者路由器等设备实现更远的传输距离，还可充分利用现有网络布线资源。

集成在操作系统的TCP/IP协议栈日趋成熟［2］，用户只需借助简单的API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)函数即可实现通信。

以太网数传系统在FPGA上的实现贲广利;王永成;徐东东;郑佳宁;吴铮【摘要】In digital signal processing or control circuit based on FPGA, in order to export original sampling data or intermediate processing result data for analyzing and processing later, from the view of stabile transmission, easy realization and low cost, a 100 Mbps Embedded Ethernet data transmission system based on FPGA TSE IP core is designed. First, the paper introduces the hardware design thought in SOPC with the main processor NiosII CPU, mainly including the Ethernet MAC designing based on TSE IP core. Uninterrupted data transmission during all transmit time is guaranteed by Pingpang RAM mechanism and a method of controlling data start and stop transmitting is also designed. Then, using MicroC/OS-II real-time operating system of multi task mode, and based on Niche stack TCP/IP protocol, the software design of the system is realized. Also, the software program flow chart which details the software work flow of the system is given. Finally, by transferring designated data, a verification method of rate and stability during data transmission is provided. The test result shows that the system is stable and reliable in data transmission when the rate is up to 51 Mbps.%在含有FPGA的数字信号处理电路和控制电路中,为了实现将原始AD采样数据或中间处理结果数据的导出,供后续分析处理使用,从数据传输的稳定性、系统实现的简易性、价格低廉等角度出发,研究设计了基于FPGA TSE IP核的嵌入式百兆以太网数据传输系统.首先,详细分析了以NiosII CPU软核处理器为核心的以太网数传系统的SOPC各模块的硬件设计,主要包括以TES IP核为主的以太网MAC,采用乒乓缓存方式保证数据的连续不间断传输,以及通过接收客户端指令来控制数传的开始和暂停;然后,利用MicroC/OS-II嵌入式实时操作系统的多任务方式,基于Niche stack TCP/IP协议栈,完成了系统的软件设计,并给出了软件程序流程;最后,通过传输并接收特定的数据,验证了系统数据传输的速率和准确性.结果表明在传输速率达到51 Mbps时,系统稳定可靠.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2017(032)008【总页数】7页(P607-613)【关键词】嵌入式以太网;数据传输;FPGA【作者】贲广利;王永成;徐东东;郑佳宁;吴铮【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都 611731【正文语种】中文【中图分类】TN919FPGA以其使用方便灵活、开发周期短、具备并行处理能力等优点，已被广泛应用于各种数字信号处理和控制领域。

基于FPGA的工业以太网的实现作者：张孟新来源：《电脑知识与技术》2017年第07期摘要：目前，基于以太网的组网技术在工业市场的发展中处于举足轻重的位置。

因此可以基于IEEE 802.3标准的以太网协议进行以太网的数据传输方式传输标准的网络业务和实时数据。

而基于FPGA高性价比、可随时进行处理器配置的特点，本文通过FPGA的NIOSII核实现嵌入式TCP/IP协议以及以太网MAC协议，并提供标准GMII接口，通过外接PHY实现网络连接。

关键词：FPGANIOS П；TCP/IP协议；以太网MAC中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）07-0069-021概述在Altera FPGA处理器上进行的解决方案和硬件配置的同时，软件设计工具也能够提供工程师设计并集成所需要的一切功能。

NiosП软核处理器可以进行以太网堆栈驱动程序的编写与集成以及实现其他功能。

还可以在需要的情况下继续配置第二个处理器进行搭配工作，这样就可以支持更多开发应用层上面的软件。

这种方案可以提供了在单—硬件上面就能很容易满足需求的变化。

不必花费大量开发时间与开发费用来实现当以太网协议导入软件堆栈后，在处理器上运行加载，而是利用现成的编程与编译工具和软件进行堆栈的处理，几乎可以支持所有的以太网标准协议。

而且，仅在FPGA的硬件平台上改动设计时或者进行协议升级时，就不需要进行对每—新协议设计新的PCB板了。

一块PCB板能够集成并支持多种工业以太网的协议，从而不但减轻了企业在开发时期投入的研发经费了，而且降低了持久拥有成本。

NIOS II中实现的工业以太网协议能够在不同的协议标准的设计中与FPGA其他系列的器件之间进行移植，所以可以在下一代产品更新使用相同的IP。

2系统实现方案在本文提到的设计中，NiosП软核处理器不仅可以支持工业以太网控制器的网络协议的配置和管理，还能运行应用层上面的数据报协议（UDP）栈、提供高效精确的时序同步功能，并支持传输层上的双路10/100 PHY收发器的PHY管理和线路诊断功能。