基于ZYNQ的千兆以太网接口读出模块ZYNQBee的研制及应用

作者:薛涛;朱劲夫;龚光华;韦亮军;罗洋;李荐民; 刊名:核技术 上传者:李良辉

【摘要】ZYNQ是集成了现场可编程阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和高性能双核ARM Cortex-A9处理器的全新架构的SoC(System On Chip)。核电子学领域的数据读出方式,从传统的"处理器+FPGA"的双芯片解决方案到目前的ZYNQ单芯片解决方案,不仅有效地减小读出电子学硬件的尺寸和功耗,而且极大地提高FPGA和处理器之间的有效带宽,为整个读出电子学带来了新的发展。介绍了基于ZYNQ XC7Z010单芯片读出模块的研制细节,包括新架构和传统架构的对比,新架构硬件设计细节、难点及性能,其中涉及DDR3(Double Data Rate 3)SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)布线的关键问题、千兆以太网接口以及嵌入式Linux的移植等。最后,介绍ZYNQBee在中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment,CDEX)高纯锗探测器数据采集板卡上的应用,测试表明:以太网口的数据读出平均带宽超过了700 Mb·s-1。

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First author:XUE Tao,male,born in 1978,graduated from Tsinghua University with a doctoral degree in 2008,focusing on nuclear electronics核电子学是不同于通讯、工业自动化和消费等普通电子学的一个特殊领域。核电子学主要面向的前端是探测器和前置放大器,主要处理的信号大多数是普通领域不会涉及的信号,比如极弱小的电流信号(f A量级)、极快的光电倍增管输出脉冲信号(ns量级)等。核电子学的通道数会随着探测器的规模快速增加,成百上千甚至上万通道的数据采集系统十分常见。例如,目前在建的中国锦屏地下实验室二期(China Jinping Underground Laboratory-II,CJPL-II)工程,将实现中国暗物质实验(China Darkmatter EXperiment,CDEX-1T)的实验目标[1],即采用吨量级高纯锗探测器阵列对暗物质进行直接探测,每个探测器(约1 kg质量,共约1000个探测器单元)输出有4个慢信号和一个快信号。大型强子对撞机夸克实验(Large Hadron Collider beauty,LHCb),拥有4 500 t的探测器、上万通道的前端电子学和两级触发系统,其前端电子学的数据带宽高达40 TB·s-1[2]。因此,数据读出作为核电子学领域的一个基本环节,对读出性能和带宽有较高的要求。数据读出的接口有很多,比如常见的USB(Universal Serial Bus)接口、RS232接口、光纤接口、以太网接口等。近年来以太网接口越来越受到核电子学领域科研工作者的青睐,特别是在大型分布式网络中。主要的原因在于以太网接口对于各种PC(Personal Computer)端的操作系统,有成熟的接口驱动和编程,并且有商用的交换机网络和非屏蔽双绞线以及光纤等多种物理链路,能较好地满足分布式网络数据获取系统的需求。在传统数据读出模块的基础上,基于Xilinx公司的新型架构的Zynq-7000All Programmable So C,我们研制了新型读出模块ZYNQBee。1 ZYNQBee硬件设计1.1 ZYNQ与传统FPGA+处理器的对比ZYNQ系列是近几年Xilinx推出的集成7系列现场可编程阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和双核处理器的混合架构的芯片,其内部实现了高性能、高带宽的PS(Processor System)与PL(Programmable Logic)的互联,包括两路32位AXI(Advanced e Xtensible Interface)从设备接口,两路32位AXI主设备接口(称为通用用途接口,GeneralPurpose Ports),4路64位可配置带1 KB缓存的高速AXI从设备接口(称为高性能用途接口,HighPerformance Purpose Ports),以及1路64位AXI ACP接口(称为加速器一致性接口,AcceleratorCoherency Port)等[3]。此外,ZYNQ具有丰富的外围接口,例如双千兆网络接口、USB、SD存储卡等,可以运行嵌入式Linux以及u COS等RTOS,并且Xilinx提供了一体化的开发应用环境Vivado以及wiki网络开放资源来支持开源开发。最小封装和逻辑容量的ZYNQ系列芯片为XC7Z010 CLG-225,其FPGA部分采用Artix-7架构的7系列FPGA,内部包

参考文献

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