基于FPGA的以太网接口和PMCI控制器设计.pdfVIP

摘要

摘要

大数据、人工智能、物联网、5G等技术的迅猛发展催生了众多新兴的业务场

景，这些场景的出现引发了全球数据量的爆炸性增长，对网络基础设施以及网络

带宽出了更高的要求。目前大部分网络接口卡仅能负责数据包的基本处理，对

于数据包管理、硬件状态监控等复杂任务则高度依赖服务器CPU执行，造成CPU

算力的浪费。针对这一问题，本文基于FPGA智能网卡，设计了一套高速以太网

接口架构和管理监控系统，旨在满足高速网络需求的同时卸载服务器CPU的系统

管理负担。主要工作概述如下：

首先，本文出了支持100Gbps的以太网接口及管理架构设计。整体架构分

为数据路径和控制路径，数据路径主要负责数据包在系统内的传输流程，由以太

网控制器和用户端逻辑等模块构成，实现100Gbps高速数据流的接收、发送、缓

存、解析以及统计等功能，解决了传统架构网络带宽小、传输延迟高的问题。本

文设计的控制路径由寄存器管理通信模块和各功能模块的寄存器组成，上位机通

过Avalon总线可以对系统内所有寄存器进行统一管理，实现对以太网架构下各模

块的控制以及数据包管理，不依赖服务器CPU的实现网络管理，该设计相比于传

统网卡架构，在满足高带宽需求的同时还增强了系统的管理和监控能力。

其次，本文融合必威体育精装版PMCI（PlatformManagementComponentInterface，平台

管理组件接口）协议设计了一个控制器，高对系统硬件状态的监控和管理能力。

通过NIOS软核处理器构建的轮询系统可以在以太网工作期间对硬件状态进行周

期性监控。同时，本文设计的MCTP（ManagementComponentTransportProtocol，

管理组件传输协议）控制器，能够进一步将管理和监控等数据进行MCTP封装和

解封，高了数据传输的效率和安全性，减少了管理的复杂度，使得平台各组件

之间的互联性大大增强，并减轻了服务器CPU的管理压力。

最后，为了验证本文设计系统的有效性，搭建了智能网卡实验平台对系统进

行仿真和实验测试。实验首先通过多次不同的数据包回环测试以及寄存器管理和

读写功能测试验证以太网系统功能。然后，分别进行了温度传感器的轮询访问测

试以及在MCTP控制下对QSFP28模块的参数配置，验证了PMCI控制器的功能。

最终实验结果表明，本文设计的系统能够供支持100Gbps的以太网速率，并进

一步卸载服务器的系统管理任务。

关键词：智能网卡，高速以太网，PMCI协议，系统管理，智能监控

I

ABSTRACT

ABSTRACT

Therapiddevelopmentoftechnologiessuchasbigdata,artificialintelligence,the

InternetofThings,and5Ghasbroughtaboutmanyemergingbusinessscenarios.The

emergenceofthesescenarioshastriggeredanexplosiveincreaseinglobalamountofdata,

placinghigherdemandsonnetworkinfrastructureandbandwidth.However,traditional

networkinterfacecardscanonlyhandlebasicdatapacketprocessingandrelyheavilyon

theserversCPUfortaskssuchasdatapacketmanagement,andhardwarestatus

monitoring,resultinginawasteofCPUcomputingpower.Toaddressthis