文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于PCI-E接口数据采集系统FPGA设计与实现
姓名:汤奥
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:吴砥
2011-01-10
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着信息时代网络技术的迅猛发展,网络为人们提供越来越多的信息量。与此同
时,随着网络的规模不断扩大,网络所承载的数据流量不断剧增,实现对高速网络数
据流实时、高效采集是网络监控和网络安全中的重要课题。数据采集卡系统需要由宿
主服务器作为载体,在实时获取高速网络中数据流,进行高速处理后需要将大流量、
高速率的数据流传输到宿主服务器上。高速 IO 总线技术的发展使得研发这种高性能
的数据采集系统成为可能。
PCI Express 总线是在传统总线基础上发展起来的第三代高性能 IO 总线,具备高
速率、高可靠性、低成本和扩展性强等特点。无论是大型服务器还是微型计算机系统,
都对 PCI Express 具有良好支持。在当前所有需要通过计算机 IO 总线进行交互的硬件
系统中,PCI Express 总线成为多数系统实现高速传输的首选。
在对高速数据采集系统的相关技术调研和研究的基础上,深入理解和分析了 PCI
Express 总线体系结构和实现上的关键技术点,结合系统的功能需求和所要达到的性
能要求,本文提出了一种基于 PCI Express 总线的高速数据采集系统的设计方案。整
个系统包含硬件逻辑设计和软件驱动两部分,本文主要从系统硬件逻辑方面来阐述系
统的设计与实现。在系统硬件逻辑开发上采用了模块化思想,将整个系统分为千兆以
太网接入、数据匹配过滤和 PCI Express 总线的 DMA 传输三部分来设计并实现。通过
搭建系统的软件验证平台,对系统的功能进行测试和完善;在实际的硬件测试环境中,
配合系统的软件驱动,对本系统的整体系能做了充分测试和性能分析。
本系统的硬件逻辑实现以 Xilinx Virtex-5 FPGA 芯片为硬件载体,实现了四路千
兆(4Gbps 的数据流)以太网数据接入,对数据流通过 CAM 芯片匹配过滤,并将处
理后的数据块在 PCI Express 总线上通过 DMA 发送到宿主服务器的主存储器。系统提
供了对 DMA 的 3Gbps 数据传输速率。

关键词: 数据采集卡, PCI Express 总线, 现场可编程逻辑阵列, 千兆以太网

I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Plenty of information is provided with the rapid development work technology
of information age. As the data carried by work increases, the size-growing of the
network rises as well, thus, effective collection of the real-time high-speed data stream is of
high importance in the area work monitoring and security. The system of data
acquisition card acquires real-time data stream which e high-flow, high-speed data
stream after processing in high-work, Afterwards those data are transmitted to
host server. With the development of the high-speed IO bus technology, implementation of
this high-performance data acquisition system es feasible.
PCI Express bus is the third generation high-performance IO bus which was developed
on the basis of traditional bus, featuring high-speed, high reliability, low cost and
expandability. Both of the large severs and puter systems demonstrate the well
comp