基于FPGA的数据缓存与转发系统设计【文献综述】.doc

1、毕业设计文献综述 电子信息工程 基于 FPGA 的数据缓存与转发系统设计 前言 目前，很多学者、专业技术人员在基于 FPGA 的 IP 数据报的缓存和转发方面做了深入细致的研究，已经在理论和实际中得到基本实现，但是还不够完善。为保证 IP 数据报传输的安全可靠性，对其系统质量的要求也日益提高，这对基于基于 FPGA 的 IP 数据报的缓存和转发方法理论和实现技术提出了更高的要求，未来的基于 FPGA 的 I 技术将向智能化、复杂化、快速化、高可靠性等方面发展。 利用 EDA 工具进行设计、 仿真 和验证 ,能够 加速设计 的 过程，降低开发风险，缩短开发 周期。本设计采用的是 FPGA 芯片，

2、它的的 设计周期短、灵活，能够提高系统的可靠性和集成度。 它能够以其优势来处理 IP 数据报中的数据，大大减轻了 CPU 的负担。 另外，它可以应用于多种场合，降低功耗，为进一步研究 IP 数据报的缓存和转发的系统提供条件 。 在未来信息无所不在的时代，网络将依靠其灵活性、可扩展性，以及建网迅速、维护方便等优势，让人们真正享受到简单、方便、快捷的连接。 主题 本设计主要研究的是基于 FPGA 的数据数据缓存和转发系统设计。本文主要是 利用 FPGA芯片对一串 IP 数据报进行缓存， 并从 该 数据报中判断 它是否 符合 TCP， UDP， ICMP 这 3 种 协议 中的一种，然后，对符合协议

3、的正确报文进行相应的统计与限流处理，最后，把符合要求的数据报转发到相应的端口上去。 IP 数据报的缓存和转发系统的设计模块主要有： IP 数据报的缓存、判断、正确报文的统计、限流、转发等功能。 文献 1-11有基于 ASIC和 PLD的设计。文献 1主要讲了 TCP/IP协议， IP数据报， TCP、 UDP、ICMP等协议，为本设计提供了理论依据。文献 2-11主要涉及到了 PLD设计， ASIC设计 ,SOPC设计， verilog语言， ModelSim仿真软 件。 PLD与 ASIC设计相比，在设计 IP数据缓存和转发系统方面， ASIC能够为特定的用户或者端口传输 IP数据，这样，对

4、于一部分用户是切实可行的。但是，如果是多个普通用户， ASIC不能提供 IP数据传输系统所需要的条件。 PLD在设计 IP数据缓存和转发系统方面是面向普通用户的，它开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、适应能力强。为 IP数据缓存和转发系统的设计提供了更好的条件。但是， SOPC的出现，使得PLD设计流程变得更为复杂。这些文献中也提到 Verilog语言简单、易懂。对仿真软件 ModelSim也有明确的 讲解，在此次设计中将使用 ModelSim SE 6.5。 文献 11-20有基于 FPGA 和 CPLD 的设计。文献 11主要讲了 TCP/IP 协议， IP 数据报，TCP、 UDP、

5、 ICMP 等协议，为本设计提供了理论依据。文献 12-20主要涉及到了 FPGA、 CPLD芯片， verilog 语言， ModelSim 仿真软件。 PLD 包括 FPGA和 CPLD 芯片。 FPGA 与 CPLD 相比，CPLD 适合组合逻辑，使用方便，速度快，保密性好。这给设计 IP 数据缓存和转发系统提供了很好的安全保障，而且，能够让各个用户之间快速，便捷的 “交流”。而本设计主要是要完成时序逻辑的，在编程上要灵活。 CPLD 不符合要求。这就给 FPGA 提供了机会，在设计 IP 数据缓存和转发系统方面 ,FPGA 更适合完成时序逻辑，集成度高，在编程上， FPGA 有着更大的

6、灵活性，发现错误时可直接进行修改， FPGA 一般可以反复编程、擦除。这样，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。而且，开发过程投资小，所以，规模越来越大。 Verilog 语言简单、易懂。一个完整的 FPGA 设计流程主要包括：电路设计、输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、等主要步骤。 根据安全逻辑需求，本文进行 了基于 FPGA 的数据缓存和转发系统的设计。文中列出了功能实现框图，该框图包含 5 个功能模块，分别是 IP 数据报的缓存模块、判断模块、计数模块、限流模块、转发模块。缓存模块主要实现 IP 数据报的缓存，为下面的判断模块打下基础；判断模块主要是判断报文头部的版本号、头长度、

7、协议类型（ TCP,UDP,ICMP）等功能；计数模块实现了 TCP、 UDP 和 ICMP 报文个数统计，以及这三种类型报文的总数；为了防止报文泛滥使得系统瘫痪，限流模块设定了接收正确报文的总数，如果超过设定值，报文将被过滤掉；转发模块实现报文目的地址的提取， 并根据该目的地址将数据报转发到相应的端口上。 最后，本论文采用 VerilogHDL 硬件描述语言编写了 5 个功能模块的源程序和测试程序，在 Modelsim 软件上进行了功能仿真。仿真结果表明，这 5 个模块已经实现了各自的基本功能。 总结 通过阅读这些文献，每一种设计都有自己的好处和不足。例如： PLD 与 ASIC 设计相比，

8、在设计 IP 数据缓存和转发系统方面， ASIC 能够为特定的用户或者端口传输 IP 数据，这样，对于一部分用户是切实可行的。但是，如果是多个普通用户， ASIC 不能提供 IP 数据传输系统所需要的条件。 PLD 在设计 IP 数据缓存和转发系统方面是面向普通用户的，它开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、适应能力强。为 IP 数据缓存和转发系统的设计提供了更好的条件。 FPGA 与 CPLD 相比， CPLD 适合组合逻辑，使用方便，速度快，保密性好。这给设计 IP数据缓存和转发系统提供了很好的安全保障，而且，能够让各个用户之间快速，便捷的“交流”。而本设计主要是要完成时序逻辑的，在编程

9、上要灵活。 CPLD 不符合要求。这就给 FPGA提供了机会，在设计 IP 数据缓存和转发系统方面 ,FPGA 更适合完成时序逻辑，集成度高，在编程上， FPGA 有着更大的 灵活性，发现错误时可直接进行修改， FPGA 一般可以反复编程、擦除。这样，减少了投片风险，节省了许多潜在的花费。而且，开发过程投资小，所以，规模越来越大。 最后，经过比较，选择在 FPGA 上进行设计数据缓存和转发系统。 它的的 设计周期短、灵活，能够提高系统的可靠性和集成度。 它能够以其优势来处理 IP 数据报中的数据，大大减轻了 CPU 的负担。 另外，它可以应用于多种场合，降低功耗，为进一步研究 IP 数据报的缓

10、存和转发的系统提供条件 。 根据要求，系统设计主要划分为 5 个模块，接下来就开始对每个模块进行设计、测试、仿真。 参考文 献： 1毛京丽 . 宽带 IP网络 M, 第一版 . 北京 : 人民邮电出版社 , 2010.1. 2张亮 . 数字电路设计与 VerilogHDL M, 第一版 . 北京 : 人民邮电出版社 , 2000.10. 3张明 . VerilogHDL 实用教程 M, 第一版 . 四川 : 电子科技大学出版社 , 1999.11. 4龚正虎 .现代 TCP/IP网络原理与技术 M. 第一版 .北京 :国防工业出版社 ,2002.9. 5卢毅，赖杰 .Verilog 与数字电路

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