基于千兆以太网视觉协议的以太网控制器IP核及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于千兆以太网视觉协议的以太网控制器IP核，由控制模块、PHY管理接口模块、发送控制模块、流控制模块、接收控制模块组成，采用FPGA实现，遵循Avalon Memory-Mapped接口规范及GMII接口规范。本发明专利技术是根据GigE Vision协议特点设计的专用IP核，能够实现GigE相机图像的接收和自动存储，在实现图像采集的同时，克服了传统以太网控制器资源占用量大、CPU使用率高、图像采集效率低等缺点，利用FPGA并行处理的特点，提高数据接收速度以及系统实时性。在同样的测试条件下，使用本专利实现图像采集，要比Altera公司的三速以太网IP核减少一半以上的FPGA资源消耗。

【技术实现步骤摘要】
基于千兆以太网视觉协议的以太网控制器IP核及方法
本专利技术涉及一种图像采集系统，特别涉及一种基于千兆以太网视觉(GigEVision)协议的嵌入式图像采集系统中的千兆以太网控制单元。
技术介绍
目前图像采集设备主要分为两个方向，一是基于个人计算机(PersonalComputer，PC)机的图像采集卡，二是基于嵌入式微处理器的图像采集系统。由于外部控制器接口(PeripheralComponentInterconnect，PCI)总线接口带宽较低，并且采用共享式总线结构，因此基于PCI总线的图像采集卡产品已经基本被淘汰。虽然新一代PCIExpress总线相比于传统的PCI总线的性能有了很大的提升，但是其仍然无法解决PC系统实时性差、稳定性不好以及成本高等问题，因此，基于PC的图像采集卡产品已经很难满足现代工业检测的需求。目前，主流的图像采集设备主要是基于嵌入式微处理器的图像采集系统。随着信息化发展速度的加快，人们对视频图像传输带宽的需求也日益增加。当前主流的相机接口标准CameraLink接口、IEEE1394接口、USB接口等已经不能满足人们对图像信息摄取速度的要求。不同的是，千兆以太网(GigE)接口以千兆以太网作为数据传输接口，在实现图像数据传输的同时，无需额外的采集设备，并且具有绝对的带宽优势。但是，目前基于普通千兆以太网控制器的图像采集系统主要存在以下两个重要的问题：一是为了实现GigEVision协议，设计必须使用通用的以太网控制器。这样面向通用功能而设计的以太网控制器，往往结构比较复杂，资源占用量大。二是CPU占用率过高。为了接收图像数据，必须使用软件对以太网协议(InternetProtocol，IP)、用户数据报协议(UserDatagramProtocol，UDP)以及GigEVision协议数据进行层层过滤，这必然会增加中央处理机(CentralProcessingUnit，CPU)的处理负担，提高CPU占用率。申请号为201010603189.5，专利技术专利名称为“一种基于FPGA和DSP的机器视觉系统”，该系统使用FPGA内部硬件电路实现图像的采集和预处理，使用DSP实现系统的逻辑控制和图像的高级处理。该系统的图像采集模块有以下几个缺陷：(1)以太网控制器使用10/100/1000M三速以太网介质访问控制器，虽然功能强大，但是其实现需要消耗4800多个逻辑单元、5300多个寄存器资源以及19000多字节的存储资源，资源消耗量巨大，增加了硬件开发的成本；(2)软件使用μC/OS系统进行任务调度，IP、UDP协议封包和解析使用系统提供的软件协议栈，软件复杂度高，系统负担大，实时性差；(3)GigEVision协议的实现由软件完成，由于嵌入式系统实时性的限制，必然会影响丢包情况的判断，造成图像数据的缺失和损坏。申请号为201310328995.X，专利技术专利名称为“一种基于GigE接口的嵌入式并行多路数字图像采集系统”，该系统使用基于GigE接口的数字图像采集嵌入式设备对多路GigE相机图像进行采集，并根据上位机的命令向上位机传输图像数据，其重点在于对多路图像信号进行采集，并上传到PC机进行处理。该系统有以下几点缺陷：(1)其网络数据收发采用通用以太网控制器，IP、UDP等网络协议的实现仍需软件实现系统负担大，CPU占用率高；(2)接收到的网络数据需要由系统仲裁模块进行实时搬运，才能被GigE协议解析模块读取，GigE协议解析模块解析得到的图像数据又必须由系统仲裁模块读取后，再存入相应的存储器。这种机制使得大量的数据在总线上来回传输，大大增加了总线占用率，提高系统仲裁模块的复杂度，影响系统的实时性；(3)该系统虽然使用硬件资源对GigE接口数据包进行解析，但是未针对GVSP协议进行硬件上的优化，数据包的重发机制仍需软件实现，很难达到较高的实时性，影响图像数据的完整性和图像接收的帧率。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服了传统以太网控制器资源占用量大、CPU使用率高、图像采集效率低等缺点，本专利技术对传统的以太网控制器进行优化，根据GigEVision协议特点设计的专用IP核。本专利技术使用硬件逻辑实现IP、地址解析协议(AddressResolutionProtocol，ARP)、UDP、千兆以太网视觉控制协议(GigEVisionControlProtocol，GVCP)的封包和解析。同时，本专利技术利用FPGA并行处理的特点，在无CPU协助的情况下，控制AvalonMemory-Mapped主接口，根据千兆以太网视觉流协议(GigEVisionStreamProtocol，GVSP)数据包的ID，自动将图像数据存入用户指定的内存空间中，提高数据接收速度以及系统实时性。技术方案：一种基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，为现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)中的一个知识产权核，具体由MAC控制模块、PHY管理接口模块、发送控制模块、流控制模块、接收控制模块组成，采用FPGA实现，通过Avalon内存映射型(Memory-Mapped)从接口与NIOS处理器连接，通过AvalonMemory-Mapped主接口与图像存储RAM连接，通过PHY管理接口及千兆介质专用接口(GigabitMediaIndependentInterface，GMII)与物理层(PHY)连接。MAC控制模块包含寄存器单元、模块控制单元以及总线控制单元，接收NIOS处理器发送的总线信息，控制其他模块；PHY管理接口模块用于访问PHY寄存器，根据PHY访问控制信号及PHY管理接口时序规范，自动生成MDC时钟和MDIO数据，控制PHY管理接口，访问PHY寄存器，生成PHY访问反馈信号；发送控制模块包含第一双端口RAM、协议封包模块、第二双端口RAM以及GMII发送模块，根据发送控制信号、ARP发送控制信号以及丢包重发控制信号自动发送相应的以太网数据包,生成发送反馈信号；流控制模块包含图像存储控制模块以及流检测模块，根据存储控制信号、流控制信号，通过GVSP数据读取总线读取GVSP数据，将图像数据写入图像存储RAM中，并生成存储反馈信号，同时检测丢包情况，控制丢包重发控制信号；接收控制模块包含第三双端口RAM、第四双端口RAM、第五双端口RAM、协议解析模块、异步FIFO以及GMII接收模块，接收以太网数据包，根据接收控制信号对其进行解析，生成接收反馈信号和流控制信号，并分别通过接收数据读取总线以及GVSP数据读取总线发送解析的数据。优选地，寄存器单元用于存放控制信息、状态信息、本机网络地址信息以及相机网络地址信息；模块控制单元根据寄存器单元存放的信息及接收的反馈信息，生成PHY访问控制信号、发送控制信号、接收控制信号和存储控制信号；总线控制单元对来自AvalonMemory-Mapped从接口的地址和控制信号进行解析，实现CPU对IP核中不同的地址空间的访问，包括寄存器单元、第一双端口RAM、第三双端口RAM及第四双端口RAM。优选地，第一双端口RAM通过发送数据写入总线接收发送数据并缓存，将发送数据从系统所在时钟域转换到GMII发送模块所在时钟域；协议封包模块包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GigE Vision协议的以太网控制器IP核，其特征在于：整个IP核由MAC控制模块(1)、PHY管理接口模块(2)、发送控制模块(3)、流控制模块(4)、接收控制模块(5)组成，使用硬件逻辑实现IP、ARP、UDP以及GigE Vision协议的封包和解析，遵循Avalon Memory‑Mapped接口规范以及GMII接口规范；MAC控制模块(1)包含寄存器单元(1.1)、模块控制单元(1.2)以及总线控制单元(1.3)，接收NIOS处理器发送的总线信息，控制其他模块；PHY管理接口模块(2)用于访问PHY寄存器，根据PHY访问控制信号(6)及PHY管理接口时序规范，自动生成MDC时钟和MDIO数据，控制PHY管理接口，访问PHY寄存器，生成PHY访问反馈信号(7)；发送控制模块(3)包含第一双端口RAM(3.1)、协议封包模块(3.2)、第二双端口RAM(3.3)以及GMII发送模块(3.4)，根据发送控制信号(8)、ARP发送控制信号(17)以及丢包重发控制信号(15)自动发送相应的以太网数据包,生成发送反馈信号(10)；流控制模块(4)包含图像存储控制模块(4.1)以及流检测模块(4.2)，根据存储控制信号(14)、流控制信号(19)，通过GVSP数据读取总线(18)读取GVSP数据，将图像数据写入图像存储RAM中，并生成存储反馈信号(13)，同时检测丢包情况，控制丢包重发控制信号(15)；接收控制模块(5)包含第三双端口RAM(5.1)、第四双端口RAM(5.2)、第五双端口RAM(5.3)、协议解析模块(5.4)、异步FIFO(5.5)以及GMII接收模块(5.6)，接收以太网数据包，根据接收控制信号(11)对其进行解析，生成接收反馈信号(12)和流控制信号(19)，并分别通过接收数据读取总线(16)以及GVSP数据读取总线(18)发送解析的数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征在于：整个IP核由MAC控制模块(1)、PHY管理接口模块(2)、发送控制模块(3)、流控制模块(4)、接收控制模块(5)组成，使用硬件逻辑实现IP、ARP、UDP以及GigEVision协议的封包和解析，遵循AvalonMemory-Mapped接口规范以及GMII接口规范；MAC控制模块(1)包含寄存器单元(1.1)、模块控制单元(1.2)以及总线控制单元(1.3)，接收NIOS处理器发送的总线信息，控制其他模块；PHY管理接口模块(2)用于访问PHY寄存器，根据PHY访问控制信号(6)及PHY管理接口时序规范，自动生成MDC时钟和MDIO数据，控制PHY管理接口，访问PHY寄存器，生成PHY访问反馈信号(7)；发送控制模块(3)包含第一双端口RAM(3.1)、协议封包模块(3.2)、第二双端口RAM(3.3)以及GMII发送模块(3.4)，根据发送控制信号(8)、ARP发送控制信号(17)以及丢包重发控制信号(15)自动发送相应的以太网数据包,生成发送反馈信号(10)；流控制模块(4)包含图像存储控制模块(4.1)以及流检测模块(4.2)，根据存储控制信号(14)、流控制信号(19)，通过GVSP数据读取总线(18)读取GVSP数据，将图像数据写入图像存储RAM中，并生成存储反馈信号(13)，同时检测丢包情况，控制丢包重发控制信号(15)；接收控制模块(5)包含第三双端口RAM(5.1)、第四双端口RAM(5.2)、第五双端口RAM(5.3)、协议解析模块(5.4)、异步FIFO(5.5)以及GMII接收模块(5.6)，接收以太网数据包，根据接收控制信号(11)对其进行解析，生成接收反馈信号(12)和流控制信号(19)，并分别通过接收数据读取总线(16)以及GVSP数据读取总线(18)发送解析的数据。2.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征在于寄存器单元(1.1)用于存放控制信息、状态信息、本机网络地址信息以及相机网络地址信息；模块控制单元(1.2)根据寄存器单元（1.1）存放的信息及接收的反馈信息，生成PHY访问控制信号(6)、发送控制信号(8)、接收控制信号(11)和存储控制信号(14)；总线控制单元(1.3)对来自AvalonMemory-Mapped从接口的地址和控制信号进行解析，实现CPU对IP核中不同的地址空间的访问，包括寄存器单元(1.1)、第一双端口RAM(3.1)、第三双端口RAM(5.1)及第四双端口RAM(5.2)。3.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征在于第一双端口RAM(3.1)通过发送数据写入总线(9)接收发送数据并缓存，将发送数据从系统所在时钟域转换到GMII发送模块(3.4)所在时钟域；协议封包模块(3.2)包含IP协议封包模块(3.2.1)、UDP协议封包模块(3.2.2)、GVCP协议封包模块(3.2.3)以及ARP协议封包模块(3.2.4)，根据发送控制信号(8)，自动为发送数据封包网络协议,将包首数据存入第二双端口RAM(3.3)；GMII发送模块(3.4)包含CRC-32生成模块(3.4.1)，将第一双端口RAM(3.1)和第二双端口RAM(3.3)的数据组合成为以太网帧并发送；CRC-32生成模块(3.4.1)自动生成32位CRC校验码。4.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征在于流检测模块(4.2)读取第五双端口RAM(5.3)，根据GVSP协议获取图像数据包ID号及图像数据，检测丢包情况，自动计算丢失数据包的ID号，生成丢包重发控制信号(15)；图像存储控制模块(4.1)根据图像数据包ID号以及存储控制信号(14)，控制AvalonMemory-Mapped主接口，自动计算存储地址，将图像数据存储到图像存储RAM中。5.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征在于GMII接收模块(5.6)内嵌CRC-32检验模块(5.6.1)，接收网络数据包，将其写入异步FIFO(5.5)中，并对其进行校验；异步FIFO(5.5)缓存接收的以太网数据，将数据从GMII接收时钟所在时钟域转换到协议解析模块所在时钟域；协议解析模块(5.4)包含ARP协议解析模块(5.4.1)、IP协议解析模块(5.4.5)、UDP协议解析模块(5.4.4)、GVCP协议解析模块(5.4.2)以及GVSP协议解析模块(5.4.3)，对接收数据进行解析，并将解析的数据分别存入不同的双端口RAM中；第三双端口RAM(5.1)缓存接收的GVCP数据；第五双端口RAM(5.3)缓存接收的GVSP数据；第四双端口RAM(5.2)缓存接收的其他数据。6.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征是，所述的发送控制模块(3)具有ARP协议自动应答功能，能够接收并解析上位机发送的ARP请求数据包，并自动发送相应的ARP应答数据包进行应答，并将上位机的MAC地址及IP地址进行记录。7.根据权利要求1所述的基于GigEVision协议的以太网控制器IP核，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶莉华，姚克奇，杭建军，涂平平，彭佩红，薛扣粉，崔一平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32