1 M. Taurigna,,D. Charlet C. Paillé Ethernet Interface But de la R & D : Intégrer un interface Ethernet dans un FPGA avec le minimum de composant externes.

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1 1 M. Taurigna,,D. Charlet C. Paillé Ethernet Interface But de la R & D : Intégrer un interface Ethernet dans un FPGA avec le minimum de composant externes. Il pourra être implanté sur les différentes cartes de tests du service ainsi que pour l'acquisition de données sur des cartes front-end. Support financier : LAL Shedule du projet : Fin 2012 Moyen mis en œuvre : Carte évaluation ALTERA à base 1) de Cyclone III A3C25 2) SRATIX II EP2SGX90 3) STRATIX IV. Objectif : Implémenter les fonctions Ethernet de base, nécessaire pour autoriser des transactions entre un ordinateur et FPGA, sur un réseau local. Architecture : Implémentation d'un processeur pour la gestion des différentes fonctions.

2 2 Ethernet : principes de base Couche ISO 1) Physique : Transmission des donnés sous forme binaire (phy gestion hardware) 2) Liaison : Adresse physique MAC (Media Access control) 3) Réseau : Determine le parcours des données et l'adresse physique (protocole IPV4,IPV6, ARP, ICMP....) 4) Transport Connexion bout a bout (UDP, TCP, …) 5) Session 6) Présentation 7) Application (FTP, HTTP, Telnet,.... Trame Ethernet Longueur : 64 < nb octet < 1536 (taux de transfert maximum) Max 64k => fragmentation. Jumbo frame max 9k. CRC non obligatoire (crc inclue dans le header en IPV4. ETHERNET : Protocole de réseau local à commutation de paquets

3 3 Ethernet : Réseau fonction de base Couche réseau 1) ARP : Address Resolution Protocol (traduction MAC adresse à l' adresse IPV4) 2) IPV4 (Internet Protocol IP) 3) ICMP : Internet controle message protocole (routage, relayage, controle de flux) encapsuler dans un datagrame IP ex de cde Ping IP datagramme Encapsulation

4 4 Ethernet : Transport fonction de base Couche transport 1) UDP :User Datagramme Protocol : Transmission simple entre 2 entités définis par leur adresse IP (encapsuler dans un paquet IP,sans négociation => sans garantie de livraison 2) TCP : Transmission Control Protocol : Inclus un certain nb de mécanismes qui vont assurer l' intégrité du transfert des donnée. (ordonnancement des segments, contrôle de flux, numéro de séquence et acquittement, gestion congestion,....) Datagramme UDP Datagramme TCP

5 5 Ethernet : Réalisation Hardware 1 MAC TSE PHY Ethernet Memory SGDMA CPU NIOS Program Memory QDR/DDR ( Optionnelle ) SGMII FPGA : Stratix IV Utilisateur Marvell,NS,.. Internal transceiver Resource : Alut s 9K Register 9K Memory : Ethernet 64kB Program 226KB + xxxKB (Interne ou externe ) Flash

6 6 Ethernet : Réalisation Hardware 2

7 Ethernet : Réalisation Sofware 1 Version base : Utilisation de programmes fournis : Altera et société tierces Implémentation : 1) d'un noyau temps réel Linux (micro C linux) 2) des drivers pour les différents modules (TSE,SGDMA,... 3) du software de gestion de la couche réseau (Niche Stack). Avantages : autorise l'implémentation de la couche application (telnet, ssh, montage nfs,... Inconvénients : Lent (10 % de la valeur max théorique) Nécessite plus de mémoire programme ~ 500Kbyte Version UDP_Monique : ré-écriture du programme de gestion de la couche réseau. Avantages : Rapide 110MByte/s en lecture écriture Moins gourmand en mémoire ~ 250Kbyte. Inconvénients : Pas de protection sur les transferts, nécessite des programmes spécifiques coté PC (contrôle de flux). transfert bidirectionnel lent. Pas de multi-tache (pour conserve la vitesse de transfert)

8 8 Ethernet : Réalisation Sofware 2 Version “mixte” : UDP FPGA → PC et TCP PC → FPGA Avantage : vitesse de transfert maximum FPGA vers PC. Fiabilité des transferts PC vers FPGA. Inconvénient : Taille de la mémoire programme (si implanté dans la mémoire interne) Outils mis en oeuvre : Eclipse NIOS SBT (Equivalent de QUARTUS pour le software)

9 9 Prochaine étape : Test pour évaluer la taille minimum de la mémoire programme. Passage SOPC vers QSYS Portage sur Q12 Insertion CRC hardware Portage sur FPGA bas coup (cyclone IV) Ethernet : Conclusion Limitations : Programmation “linéaire” mono tache. Débit maximum pour des transfert mono directionnel. Programme «UDP_Monique» limité au fonction minimum : ARP,ICMP(ping), UDP. Débit maximum nécessite une horloge CPU à 200MHz (FPGA de dernière génération Problème de mise en œuvre : Firmware fournis par ALTERA liés a une version dédiée de QUARTUS (portage compliqué) Structure complexe pour obtenir les débits requis.

10 10 But de la R&D: Intégrer un interface Ethernet dans un FPGA avec le minimum de composant externes. Il pourra être implanté sur les différentes cartes de tests du service ainsi que pour l'acquisition de données sur des cartes front- end Support finacier : LAL Schedule du project: fin 2012 M. Taurigna,,D. Charlet C. Paillé Protocoles implantés Protocoles implantés: 1TCP 1) TransmissionControlProtocol : C'est un Protocole fiabilisé mais complexe dans sa mise en œuvre et qui nécessite un applicatif local, ce qui implique l'implémentation d'un processeur (niosII). La constitution de la trame ce fait en software. Ce protocole sera utilisé pour les cartes de test car il offre toute la richesse du protocole 2)UDP 2) UserDatagramProtocol : Principalement utilisé pour transfert de données entre 2 points. La constitution de la trame est gérée en hardware, (header, calcul src,..). Ceci afin d'atteindre les taux de transferts maximum. Project status: Le protocole TCP à été intégré sur une carte d'évaluation à base de Cyclone III  débit = 8MOct/s. Next steps : Évolution de l'architecture TCP ALTERA actuelle fin d'améliorer les débits et portage sur différent type de FPGA Implémentation du protocole UDP. Ethernet Interface D. Charlet, Seillac 2012