CN110351509B - 一种基于fpga堆叠的多通道高带宽数据交换方法 - Google Patents
一种基于fpga堆叠的多通道高带宽数据交换方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,该方法使用的设备包括切换板卡、M个输入板卡、K个输出板卡和同步控制板卡,方法具体包括以下步骤:1)所述的M个输入板卡中的每一个数据封装单元根据数据封装协议,对每路数据输入信号的数据流封装打包处理;2)所述的数据切片及分发单元用于将数据封装单元发来的每个数据包均分为N份分别传输给N个FPGA数据切片交换单元;……;5)数据发送单元根据与输入板卡相同的数据封装协议,将数据切片重组单元发来的数据包去掉包括报文头的封装信息后恢复为原始的数据信号输出。本发明的数据交换方法突破了受限于单芯片端口规模导致总端口规模受限的瓶颈,结构简单合理,也极大地提升了单端口带宽和传输效率。
Description
技术领域
本发明属于视频处理技术领域,特别涉及一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法。
背景技术
随着科技的不断进步,尤其在专业视听领域,随着高清、超高清和甚高清视频等大数据量业务的应用普及和***式增长,市场上对高速数据交换矩阵的带宽和规模提出了更高的需求。传统交换矩阵无论在规模和带宽方面都受到了极大挑战。
传统的数据交换方式大致分为以下3类:1)基于专用ASIC交换芯片的,比如Mindspeed(后被MACOM公司收购)公司的Crosspoint系列芯片。交换规模能做到从16×16到288×288,单路带宽从3.2Gbps到12.8Gbps 不等。单芯片或者通过多芯片堆叠可达到更大规模;2)基于PCI-E结构的,如发明“CN201621394802一种基于PCI-E矩阵式网络高速数据传输***架构”;3)基于以太网等包交换的。但是以上现有技术都存在不足之处,主要缺陷有:1)基于专用ASIC交换芯片的方案。若采用单芯片方案会受限于芯片本身的规模,比如最大只能做到288×288规模。若采用多芯片堆叠方案,成本昂贵,硬件设计复杂。此外,生产超大容量专用交换芯片的供应商数量有限,容易造成采购困难或价格风险;2)基于PCI-E结构的方案。 a.容量受限于交换芯片本身规模。b.所有输入输出端口共享内部总线带宽。在总端口数量达到一定程度时,单端口带宽下降明显,各端口带宽难以保证;3)基于以太网等包交换的。同PCI-E架构一样,共享内部总线带宽,传输延时大且不固定。在交换数据吞吐率大时有丢包风险。
现有技术中已有基于FPGA架构的数据交换***,比如发明“CN201320825955数字视频交换***”,其公开的技术方案是是基于单 FPGA架构的,总容量和单端口带宽受限于FPGA本身技术和工艺,难以同时满足超大规模和超高单端口带宽的需求,主要用于小规模数据交换。虽然在该文献中也提到可将多个数字视频交换***组成更大规模的数据交换***,但该文献并没有公开这种多个单FPGA架构的数字视频交换***的具体结构,并且,这种多***叠加的方式肯定也存在结构复杂、重复,传输效率及容错率低的问题,也没有提供具体的数据交换方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,突破了受限于单芯片端口规模导致总端口规模受限的瓶颈,结构简单合理,也极大地提升了单端口带宽和传输效率。
本发明的具体技术方案是一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,该方法使用的设备包括切换板卡、M个输入板卡、K 个输出板卡和同步控制板卡,所述的切换板卡用于将输入的视频信号进行交换传输,包括N个FPGA数据切片交换单元,每个FPGA数据切片交换单元具有M个SERDES接收端口和K个SERDES发送端口,所述的输入板卡包括数据切片及分发单元和分别与数据切片及分发单元连接的N个数据封装单元,每个数据封装单元与一路数据输入信号连接,所述的数据切片及分发单元具有通过SERDES传输线路分别与N个FPGA数据切片交换单元连接的N个SERDES发送端口,所述的输出板卡包括数据切片重组单元和分别与数据切片重组单元连接的N个数据发送单元,每个数据发送单元用于输出一路数据信号,所述的数据切片重组单元具有通过SERDES传输线路分别与N个FPGA数据切片交换单元连接的N个SERDES接收端口,所述的同步控制板卡包括分别与每个FPGA数据切片交换单元、数据切片及分发单元和数据切片重组单元连接的同步单元和控制单元,
该方法具体包括以下步骤:
1)所述的M个输入板卡中的每一个数据封装单元根据数据封装协议,对每路数据输入信号的数据流封装打包处理后,传输给对应的数据切片及分发单元;
2)所述的数据切片及分发单元用于将数据封装单元发来的每个数据包均分为N份分别传输给N个FPGA数据切片交换单元,数据切片和分发单元接收来同步控制板卡的周期性同步信号,并根据此信号对发送给FPGA 数据切片交换单元的SERDES数据进行对齐处理;
3)所述的N个FPGA数据切片交换单元接收同步控制板卡的周期性同步信号并根据此信号确定SERDES数据流里的切片位置,然后根据控制单元配置的统一切换表,完成视频信号的交换传输,重组成SERDES数据流发送给输出板卡;
4)所述的K个输出板卡中的每个数据切片重组单元接收来自N个 FPGA数据切片交换单元的N路SERDES数据,根据同步控制板卡的周期性同步信号确定SERDES数据流里的切片位置,数据切片重组单元对N个数据切片重组成数据包,然后将重组成的数据包发送给对应的数据发送单元;
5)数据发送单元根据与输入板卡相同的数据封装协议,将数据切片重组单元发来的数据包去掉包括报文头的封装信息后恢复为原始的数据信号输出。
更进一步地,所述的步骤1)中的数据封装协议采用CPRI协议。
更进一步地,所述的控制单元与上位机连接,可以对切换表进行修改。
更进一步地,在M等于K时,所述的一对输入板卡和输出板卡的功能可以采用同一块输入输出板卡实现,该输入输出板卡包括同时具有数据切片及分发单元和数据切片重组单元功能的切片及重组单元,以及和该切片及重组单元分别连接的同时具有数据封装单元和数据发送单元功能的封装及发送单元。
更进一步地,所述的数据输入信号包括视频、音频、控制数据、红外、串口、开关量、以太网、光纤、HDBaseT、鼠标键盘或USB2.0信号。
更进一步地,所述的FPGA数据切片交换单元中的FPGA芯片为 XILINX公司的Virtex UltraScale+XCVU7P型号芯片或者Intel公司的Stratix 10GX1650型号芯片。
更进一步地,所述的数据切片及分发单元和数据切片重组单元采用 XILINX公司的Kintex-7XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria 10 GX160型号芯片。
更进一步地,所述的数据封装单元和数据发送单元采用XILINX公司的Kintex-7XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria 10GX160型号芯片。
本发明的有益效果是1)本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,能够适用于多片FPGA堆叠作为数据交换的核心器件组合,在同步信号控制下,可以实现高速数据信号流的并行切片传输,在不降低任一端口带宽的条件下,能够高速实现数据信号切换;2)采用CPRI协议对数据流进行切片处理,方便并行传输和对齐,采用简单多片的FPGA堆叠就能扩充切换矩阵的输入输出带宽,有效解决现有切换方法的带宽受限和信号迟滞问题;3)本发明方法适用的输入输出板卡与多片FPGA堆叠数据交换核心器件连接结构简单,优化合理,传输效率高,功率低,绿色节能; 4)数据交换方法可以适用于是输入输出板卡共用的双向交换方式,也可以适用于输入输出板卡分离的单向交换方式,还可以适用于输入通路与输出通路不等的非对称交换方式;5)本发明方法适用的数据交换***,可采用市场常见的FPGA器件,便于采购和备货。不会由于某个单一供应商的变动而导致风险。本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法能实现诸如640×640及以上交换规模且单端口带宽12.5Gbps以上的矩阵切换。
附图说明
图1为本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法的流程图;
图2为本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法适用的数据交换***的结构原理图;
图3为本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法适用的一种320×320双向切换矩阵的结构原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明 的技术方案作进一步地描述。
如附图1所示,本发明的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,具体包括以下步骤:
1)所述的M个输入板卡中的每一个数据封装单元根据数据封装协议,数据封装协议采用CPRI协议,将每路数据输入信号的数据流封装打包处理传输给对应的数据切片及分发单元;
2)所述的数据切片及分发单元用于将数据封装单元发来的每个数据包均分为N份分别传输给N个FPGA数据切片交换单元,数据切片和分发单元接收来同步控制板卡的周期性同步信号,并根据此信号对发送给FPGA 数据切片交换单元的SERDES数据进行对齐处理;
3)所述的N个FPGA数据切片交换单元接收同步控制板卡的周期性同步信号并根据此信号确定SERDES数据流里的切片位置,然后根据控制单元配置的统一切换表,完成视频信号的交换传输,重组成SERDES数据流发送给输出板卡,所述的控制单元与上位机连接,可以对切换表进行修改;
4)所述的K个输出板卡中的每个数据切片重组单元接收来自N个 FPGA数据切片交换单元的N路SERDES数据,根据同步控制板卡的周期性同步信号确定SERDES数据流里的切片位置,数据切片重组单元对N个数据切片重组成数据包,然后将重组成的数据流发送给对应的数据发送单元;
5)数据发送单元根据与输入板卡相同的数据封装协议,将数据切片重组单元发来的数据包去掉包括报文头的封装信息后恢复为原始的数据信号输出。
如附图2所示,本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法适用的一种数据交换***,包括切换板卡、80个输入板卡、80个输出板卡和同步控制板卡。
所述的切换板卡用于将输入的视频信号进行交换传输,包括8个FPGA 数据切片交换单元,每个FPGA数据切片交换单元具有80个SERDES接收端口和80个SERDES发送端口。所述的FPGA数据切片交换单元中的FPGA 芯片为XILINX公司的Virtex UltraScale+XCVU7P型号芯片或者Intel公司的Stratix 10GX1650型号芯片。
所述的输入板卡包括数据切片及分发单元和分别与数据切片及分发单元连接的8个数据封装单元,每个数据封装单元与一路数据输入信号连接,所述的数据切片及分发单元具有通过SERDES传输线路分别与8个FPGA 数据切片交换单元连接的8个SERDES发送端口。所述的数据输入信号包括视频、音频、控制数据、红外、串口、开关量、以太网、光纤、HDBaseT、鼠标键盘或USB2.0信号。
所述的输出板卡包括数据切片重组单元和分别与数据切片重组单元连接的8个数据发送单元,每个数据发送单元用于输出一路数据信号,所述的数据切片重组单元具有通过SERDES传输线路分别与8个FPGA数据切片交换单元连接的8个SERDES接收端口。
所述的数据切片及分发单元和数据切片重组单元采用XILINX公司的 Kintex-7XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria 10GX160型号芯片。所述的数据封装单元和数据发送单元采用XILINX公司的Kintex-7 XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria10GX160型号芯片,封装协议为CPRI。
所述的同步控制板卡包括分别与每个FPGA数据切片交换单元、数据切片及分发单元和数据切片重组单元连接的同步单元和控制单元。
所述的同步单元和控制单元单元采用XILINX公司的Zynq-7000 XC7Z015型号芯片。
如附图3所示,所述的一对输入板卡和输出板卡的功能可以采用同一块输入输出板卡实现,该输入输出板卡包括同时具有数据切片及分发单元和数据切片重组单元功能的切片及重组单元,以及和该切片及重组单元分别连接的同时具有数据封装单元和数据发送单元功能的封装及发送单元。这样就具有40个输入输出板卡和8个切换卡。能够实现320×320路信号的交换输出。
本发明的基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法适用的硬件切换***,也可以应用于以下处理方法的进行数据传输和交换,具体步骤有,数据封装单元可以根据数据输入信号的类型将不同类型的数据发送到不同的数据切片交换单元。例如所有的视频数据通过第1路SERDES发送给第 1个数据切片交换单元,所有的音频通过第2路SERDES发送给第2个数据切片交换单元,所有的USB2.0数据通过第3路SERDES发送给第3个数据切片交换单元,依次类推,第8种数据类型通第8路SERDES发送给第8个数据切片交换单元。不同类型的数据分别通过其连接的数据切片交换单元进行交换后发送给输出卡的数据切片重组单元。这里数据切片交换单元上的切换表由上位机通过控制单元进行配置,8张切换表可以相同,也可以完全不同,即视频数据配有视频切换表,音频数据配有音频切换表,USB2.0数据配有USB2.0切换表。输出卡上的数据重组单元收到来自不同数据切片交换单元过来的数据后进行重新组包后输出。通过这种交换方式,视频、音频或USB2.0等不同类型数据可以分别完成独立切换,然后重新进行视频源和音频源等数据类型的灵活组合。即完成市场上常见的音视频混合处理矩阵的功能。
Claims (7)
1.一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,该方法使用的设备包括切换板卡、M个输入板卡、K个输出板卡和同步控制板卡,所述的切换板卡用于将输入的视频信号进行交换传输,包括N个FPGA数据切片交换单元,每个FPGA数据切片交换单元具有M个SERDES接收端口和K个SERDES发送端口,所述的输入板卡包括数据切片及分发单元和分别与数据切片及分发单元连接的N个数据封装单元,每个数据封装单元与一路数据输入信号连接,所述的数据切片及分发单元具有通过SERDES传输线路分别与N个FPGA数据切片交换单元连接的N个SERDES发送端口,所述的输出板卡包括数据切片重组单元和分别与数据切片重组单元连接的N个数据发送单元,每个数据发送单元用于输出一路数据信号,所述的数据切片重组单元具有通过SERDES传输线路分别与N个FPGA数据切片交换单元连接的N个SERDES接收端口,所述的同步控制板卡包括分别与每个FPGA数据切片交换单元、数据切片及分发单元和数据切片重组单元连接的同步单元和控制单元,
该方法具体包括以下步骤:
1)所述的M个输入板卡中的每一个数据封装单元根据数据封装协议,对每路数据输入信号的数据流封装打包处理后,传输给对应的数据切片及分发单元;
2)所述的数据切片及分发单元用于将数据封装单元发来的每个数据包均分为N份分别传输给N个FPGA数据切片交换单元,数据切片及分发单元接收来同步控制板卡的周期性同步信号,并根据此信号对发送给FPGA数据切片交换单元的SERDES数据进行对齐处理;
3)所述的N个FPGA数据切片交换单元接收同步控制板卡的周期性同步信号并根据此信号确定SERDES数据流里的切片位置,然后根据控制单元配置的统一切换表,完成视频信号的交换传输,重组成SERDES数据流发送给输出板卡;
4)所述的K个输出板卡中的每个数据切片重组单元接收来自N个FPGA数据切片交换单元的N路SERDES数据,根据同步控制板卡的周期性同步信号确定SERDES数据流里的切片位置,数据切片重组单元对N个数据切片重组成数据包,然后将重组成的数据流发送给对应的数据发送单元;
5)数据发送单元根据与输入板卡相同的数据封装协议,将数据切片重组单元发来的数据包去掉包括报文头的封装信息后恢复为原始的数据信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的步骤1)中的数据封装协议采用CPRI协议。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的控制单元与上位机连接,可以对切换表进行修改。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的数据输入信号包括视频、音频、控制数据、红外、串口、开关量、以太网、光纤、HDBaseT、鼠标键盘或USB2.0信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的FPGA数据切片交换单元中的FPGA芯片为XILINX公司的Virtex UltraScale+XCVU7P型号芯片或者Intel公司的Stratix10GX1650型号芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的数据切片及分发单元和数据切片重组单元采用XILINX公司的Kintex-7XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria 10GX160型号芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA堆叠的多通道高带宽数据交换方法,其特征在于,所述的数据封装单元和数据发送单元采用XILINX公司的Kintex-7 XC7K160T型号芯片或者Intel公司的Arria 10GX160型号芯片。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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