【microchip PolarFire SoC FPGA 套件】PolarFire SoC FPGA 开发套件网络功能的尝试

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【microchip PolarFire SoC FPGA 套件】PolarFire SoC FPGA 开发套件网络功能的尝试 [复制链接]

 

一、前期尝试：FPGA手工开发与IP核选用困境

最初，考虑直接使用FPGA进行以太网接口测试开发。然而，纯手工编写代码实现测试功能面临诸多挑战，开发周期长且容易出错，代码的复杂性和调试难度使得这一方案性价比极低。因此，转向使用官方提供的IP核，期望借此简化开发流程。

在众多IP核中，有CoreRMII、CoreTSE、CoreTSE_AHB、Core10100和CoreTCAM这五个模块可供选择。对这五个IP核的详细对比如下：

IP核名称	功能特点	优势	局限	适用场景
CoreRMII	负责MII到RMII的转换，减少连接PHY和MAC的信号数量；支持10/100Mbps模式，MII侧25MHz、RMII侧50MHz时钟；提供MDIO接口控制链路速度、传输类型和环回功能	资源占用低，在SmartFusion2、IGLOO2、PolarFire等器件系列中，逻辑元件使用数量少	功能单一，专注于接口转换，不支持1000Mbps高速传输模式	对接口转换需求简单，速率要求不高于100Mbps，且对资源占用敏感的场景
CoreTSE	提供10/100/1000Mbps以太网MAC功能，支持G/MII或SGMIITBI接口；支持全双工和半双工模式，具备WoL功能、帧统计计数器和目的地址过滤功能	功能丰富，能满足多种以太网应用需求；支持高速传输，适用于对网络功能要求较高的场景	资源占用相对较高；配置和使用复杂，对开发者技术要求高	对功能完整性和高速传输有要求，资源相对充足的项目，如工业控制、数据中心网络设备等
CoreTSE_AHB	提供10/100/1000Mbps以太网MAC功能，支持G/MII和TBI接口；通过AMBAAHB-发起端口接口，允许DMA引擎进行数据传输，提高效率	通过AHB接口实现高效数据传输和系统集成；在数据传输方面具有优势	硬件连接和软件配置复杂，开发难度大	对数据传输效率要求高，需要与AHB总线紧密集成的系统，如高性能计算设备的网络模块
Core10100	推测主要针对10/100Mbps以太网应用场景设计优化	在资源占用和成本控制上或许有优势	功能丰富度和高速传输支持较弱；缺乏详细资料，实际性能和功能特点难以准确评估	对成本敏感，对功能需求相对简单，速率要求不高于100Mbps的场景，如一些低成本物联网设备
CoreTCAM	推测与内容可寻址存储器（TCAM）技术相关，可能在地址查找、数据包过滤方面有独特优势	在需要快速进行地址匹配和数据过滤的场景中表现出色	缺乏详细资料，功能细节和性能表现难以明确	对地址查找和数据包过滤速度要求极高的特定网络应用，如网络安全设备中的数据包筛选模块

综合考虑项目需求，包括对多种网络环境的适应性、大数据传输的稳定性以及开发效率，最终选择了CoreTSE。尽管其资源占用较大，但全面的功能能更好地满足不同网络环境下的测试需求，且后续可通过优化资源配置来缓解资源压力。

在使用CoreTSE的过程中，却遇到了新的问题。下载过程极为缓慢，频繁出现卡死现象，严重影响开发进度。经过排查，发现是由于IP核数据量较大，在下载过程中与开发环境存在兼容性问题（我的电脑性能不足或者网络原因？）。

这里的配置就按照默认的就可以了。

好不容易完成下载，又出现引脚太少无法满足测试需求的状况，这使得基于该IP核的测试方案难以继续推进。

二、新的探索：参考视频流传输方案

在困境中，通过仔细研读PolarFireSoCFPGA相关手册，发现其中的视频流传输方案可能为以太网接口测试提供新的思路。视频流传输同样涉及大量数据在网络中的传输，与以太网接口测试在数据传输特性上有一定相似性。

在困境中，通过仔细研读PolarFireSoCFPGA相关手册，发现其中的视频流传输方案可能为以太网接口测试提供新的思路。视频流传输同样涉及大量数据在网络中的传输，与以太网接口测试在数据传输特性上有一定相似性。

从《PolarFir eSoCFPGAH.264 Video Streamin g Over Ethernet Application Note AN4529》文档可知，视频流传输方案利用了一系列IP块，如PolarFireOscillator、PolarFire ClockConditioning Circuit(CCC)等协同工作。其中，网络通信部分的设计对以太网接口测试有重要参考价值。在时钟管理方面，通过合理配置PolarFireCCC块，利用148.5MHz的板载参考时钟生成125MHz的织物时钟，为FPGA与MSS（Microprocessor Subsystem）之间的通信提供稳定时钟信号。这在以太网接口测试中也至关重要，稳定的时钟是保证数据准确传输、测试通信稳定性和速率的基础。

同时，该方案中的数据传输路径设计，如从摄像头获取数据后经一系列处理再通过以太网发送，为测试数据的传输提供了可借鉴的流程。在测试以太网接口时，也需要构建类似的数据传输链路，将测试数据准确发送并接收，以分析丢包率等指标。

基于此，确定了工程结构。在硬件层面，以PolarFireSoC FPGA为核心，连接以太网接口模块，确保数据的输入输出稳定。在软件层面，参考视频流传输方案中的驱动和配置代码，构建测试数据的生成、发送和接收逻辑。

需要添加的代码主要集中在测试数据的生成函数、数据发送与接收的控制逻辑以及丢包率和传输速率计算的函数。

例如，编写专门的函数用于生成不同大小和格式的测试数据包，模拟大数据传输场景；在数据发送端，根据不同网络环境的模拟需求，添加控制数据包发送频率和数量的代码；在接收端，增加对接收数据的校验和计数功能，以便准确计算丢包率。同时，结合时钟配置代码，确保数据在不同网络环境下能稳定传输。

下载官方用例：gitclonehttps://github.com/polarfire-soc/polarfire-soc-bare-metal-examples.git

参考里面的mpfs-mac-mcc-stack项目和mpfs-mac-simple-test-multi-emac项目。

在mpfs-mac-mcc-stack项目中，包含了BACnet协议相关的测试函数，BACnet是一种用于楼宇自动化和控制网络的通信协议，在以太网通信测试中可能会涉及到一些通用的网络通信功能。

比如在src/middleware/bacnet/src/npdu.c文件，包含了testNPDU1和testNPDU2函数，这些函数用于测试网络协议数据单元（NPDU）的编码和解码功能，涉及到以太网通信中的数据包处理。

有兴趣的可以在工程里面看一下testNPDU1和testNPDU2两函数。

而位于src/middleware/bacnet/src/ptransfer.c，代码包含了test_Private_Transfer_Request和test_Private_Transfer_Ack函数，用于测试私有传输请求和响应的编码和解码，有助于理解以太网通信中的消息交互。

最后是文件src/middleware/bacnet/src/mstp.c，它包含了testReceiveNodeFSM函数，用于测试MSTP（主从/令牌传递）网络的接收节点有限状态机，对于理解以太网通信中的状态管理和数据包接收处理有帮助。

PPP协议参考driver-examples/mss/mss-ethernet-mac/mpfs-uart-mac-freertos_lwip/src/middleware/lwip-2.0.0-wip/netif/ppp/ppp.c。

数据传输参考：applications/benchmarks/dma_benchmarking/mpfs-dma-benchmarking/src/application_pdma/hart1/pdma_benchmarking_config.h。定义了 DMA（直接内存访问）基准测试的配置，包括传输大小范围、内存地址等。虽然这主要是关于 DMA 的配置，但在大数据传输速率测试中，DMA 可以用于高效的数据传输。

进行一个简单的功能代码的编写：

#define BUFFER_SIZE 1024

#define PORT 8888

#define SERVER_IP "192.168.68.74"

#define PACKET_COUNT 1000

typedef struct {

uint8_t protocol_version;

bool data_expecting_reply;

bool network_layer_message;

BACNET_MESSAGE_PRIORITY priority;

BACNET_NETWORK_MESSAGE_TYPE network_message_type;

uint16_t vendor_id;

uint8_t hop_count;} BACNET_NPDU_DATA;

void npdu_copy_data(BACNET_NPDU_DATA * dest, BACNET_NPDU_DATA * src) {

if (dest && src) {

dest->protocol_version = src->protocol_version;

dest->data_expecting_reply = src->data_expecting_reply;

dest->network_layer_message = src->network_layer_message;

dest->priority = src->priority;

dest->network_message_type = src->network_message_type;

dest->vendor_id = src->vendor_id;

dest->hop_count = src->hop_count;

}}

int send() {

int sockfd;

struct sockaddr_in server_addr;

uint8_t buffer[1024];

Packet packet;

int i;

clock_t start_time, end_time;

double total_time;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

if (sockfd < 0) {

perror("socket creation failed");

return -1;

}

memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

server_addr.sin_family = AF_INET;

server_addr.sin_port = htons(PORT);

server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

start_time = clock();

for (i = 0; i < PACKET_COUNT; i++) {

packet.packet_id = i;

packet.timestamp = (uint64_t)time(NULL);

snprintf((char *)packet.data, sizeof(packet.data), "Packet %d", i);

packet.data_length = strlen((char *)packet.data);

int encoded_length = encode_packet(buffer, &packet);

sendto(sockfd, buffer, encoded_length, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

usleep(1000);

}

end_time = clock();

total_time = (double)(end_time - start_time) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("Sent %d packets in %.2f seconds.\n", PACKET_COUNT, total_time);

close(sockfd);

return 0;

}

#define BUFFER_SIZE 1024

#define PORT 8888

int receive() {

int sockfd;

struct sockaddr_in server_addr, client_addr;

socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

uint8_t buffer[1024];

Packet packet;

int packet_count = 0;

int received_count = 0;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

if (sockfd < 0) {

perror("socket creation failed");

return -1;

}

memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

server_addr.sin_family = AF_INET;

server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

server_addr.sin_port = htons(PORT);

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {

perror("bind failed");

return -1;

}

while (1) {

ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);

if (recv_len > 0) {

decode_packet(buffer, &packet);

received_count++;

printf("Received packet %d at %lu: %s\n", packet.packet_id, packet.timestamp, packet.data);

if (packet.packet_id == MAX_PACKET_ID) {

break;

}

}

}

int lost_count = MAX_PACKET_ID - received_count + 1;

float loss_rate = (float)lost_count / (MAX_PACKET_ID + 1) * 100;

printf("Received %d packets, lost %d packets, loss rate: %.2f%%\n", received_count, lost_count, loss_rate);

close(sockfd);

return 0;}

int encode_packet(uint8_t * buffer, Packet * packet) {

uint8_t * ptr = buffer;

*(uint32_t *)ptr = packet->packet_id;

ptr += sizeof(uint32_t);

*(uint64_t *)ptr = packet->timestamp;

ptr += sizeof(uint64_t);

*(uint16_t *)ptr = packet->data_length;

ptr += sizeof(uint16_t);

for (int i = 0; i < packet->data_length; i++) {

*ptr++ = packet->data;

}

return ptr - buffer;

}

int decode_packet(uint8_t * buffer, Packet * packet) {

uint8_t * ptr = buffer;

packet->packet_id = *(uint32_t *)ptr;

ptr += sizeof(uint32_t);

packet->timestamp = *(uint64_t *)ptr;

ptr += sizeof(uint64_t);

packet->data_length = *(uint16_t *)ptr;

ptr += sizeof(uint16_t);

for (int i = 0; i < packet->data_length; i++) {

packet->data = *ptr++;

}

return ptr - buffer;

}

1. 模拟测试结果与分析

对以太网接口进行模拟测试。在不同网络环境下，包括不同带宽、不同干扰强度的模拟场景中，测试结果显示：在理想网络环境下，即高带宽且低干扰的场景中，以太网接口的通信稳定性良好，丢包率低于1%，大数据传输速率可达到接近理论最大值。