基于Zynq7020双千兆以太网的数字信号处理板设计

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基于Zynq7020双千兆以太网的数字信号处理板设计

一、背景

背景
Xilinx公司在2010年发布了可扩展的处理器平台Zynq7000系列，它采用了28nm工艺，将FPGA与ARM cortex A9集成在一颗芯片上，实现了高性能、高集成度、低功耗。Zynq7000系列有多种芯片型号可供选择，主要差别在FPGA的规模、Coretex A9核的数量、管脚数量、成本等方面。在2013年，笔者所在公司需要开发一款嵌入式产品，其中的关键部件之一就是数字信号处理板。数字信号处理板的主要功能需求是：
（1） 处理2路来自高速ADC的信号，对信号进行实时滤波、降噪；
（2） 将处理后的信号通过以太网口、以tcp连接传输到上位机进行后续处理，每一路信号的净荷速率大约320Mbps；
（3） 数字信号处理板作为嵌入式设备的主控单元，对设备的各个模块进行配置、实时运行监测、实时故障诊断、故障上报等，同时通过以太网与上位机连接，以tcp连接实时上报状态、告警、故障，响应上位机的命令等；
综合比较了处理能力、集成度、成本、功耗等因素，我最终选择了Xilinx公司在2010年发布的Zynq7000处理器，具体型号是Zynq7020。Zynq7020上的主要资源包括：双核cotex A9，85K logic cell，4.9Mb block RAM，220 DSP slices 。
本文主要阐述数字信号处理单板的设计难点之一：双千兆以太网的设计以及调试中典型问题的解决方法。

二、以太网设计方案的选择

Zynq7020片内有2个ARM Cortex A9内核，我们分别称之为core0、core1，芯片内还内嵌了2个MAC控制器。在单板硬件上，我们部署了2个千兆以太网接口，分别称之为eth0、eht1。从功能需求可知：以太网需要传输2种类型的数据，一类是低速的控制面数据，主要是与上位机的消息交互，消息是突发性的，峰值数据速率不超过10Mbps，这对于千兆以太网负荷根本不是问题；第二类是高速的信号数据，净荷速率大约是每路320Mbps，且信号速率是恒定的，考虑到tcp报头的开销，以太网总传输速率大约在334Mbps。

对开发平台的说明：
集成开发工具SDK版本：SDK 14.5（该版本的SDK工具本身以及其所带的库文件都还有bug，库文件的bug在调试中自己加以修正了）
虚拟机：VMware_8.0.4
Ubuntu：12.04 LTS
GCC工具链：4.6.1
Linux kernel：从xilinx官网上下载了linux-xlnx-xilinx-v2013.4.tar.gz
在Zynq7020的功能部署