Integration eines Ethernet Controller-Cores in ein FPGA mit Anbindung an ein Betriebssystem

Abstract

Ethernet ist weltweit der Standard in der Vernetzung von Computern. Aufgrund einheitlicher Computer-Schnittstellen-Hardware, kostengünstiger Verkabelung, hoher Übertragungsgeschwindigkeiten und weiter Verbreitung wird diese Technologie auch zunehmend in der industriellen Automatisierungstechnik eingesetzt.<br />Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung eines Ethernet-Cores, seiner Integration in ein Field Programmable Gate Array (FPGA) einer bestehenden Systemarchitektur einer Kamera und der Anbindung der Hardware an das Betriebssystem Linux.<br />Ausgehend von einer Open Source-Lösung eines Ethernet-Cores für Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 und 100MBit/s wird eine vor allem im Bezug auf die Schnittstellen geänderte Version und ein passender Gerätetreiber, zur Kommunikation mit dem Betriebssystem Linux, entwickelt. Die Implementierung der Ethernet-Aufgaben der Medium Access Control(MAC)-Teilschicht des OSI-Referenzmodells als Intellectual Property(IP)-Core ermöglicht flexible Lösungen im Sinne einer System On Chip-Architektur. Das Hauptaugenmerk liegt bei einem Vollduplex-Betrieb mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100MBit/s. Für einlangende Datenpakete steht ein im FPGA realisierter Ringbuffer-Speicher mit einer Größe von 7kB zur Verfügung. Für die Senderichtung existieren zwei Speicherplätze, die jeweils ein Ethernet-Datenpaket aufnehmen können. Sie können alternierend beschrieben werden und ermöglichen eine effiziente Datenübertragung. Am Ende der Arbeit wird der Datendurchsatz des neuen Netzwerk-Interfaces mit dem des herkömmlichen Netzwerk-Interfaces des Kamerasystems verglichen und eine Untersuchung des Ressourcenverbrauchs des Open-Source-Cores und des Ethernet-IP-Cores vorgenommen.<br />

Worldwide Ethernet is the standard for networking. Due to standardized computer-interface-hardware, low-cost cabling, high transmission rates and wide distribution Ethernet is increasingly installed in industrial automation technologies.<br />This diploma thesis deals with the creation of an Ethernet-core, his integration into a Field Programmable Gate Array (FPGA) of an already existing architecture of a camera-system and the connection of the hardware to the operating system Linux.<br />Based on an Open Source-solution of an Ethernet-core for transmission speeds of 10 and 100MBit per second, an adapted version concerning the interfaces is developed. Furthermore a device driver for the communication with the operating system Linux is created. The implementation of the Ethernet-tasks of the Medium Access Control (MAC)-sublayer of the OSI model as an Intellectual Property-Core enables flexible solutions in terms of a System On Chip-architecture. The main focus is the operation in full-duplex-mode at a transmission speed of 100MBit per second. For received data packets a ringbuffer-memory with a size of 7kB is available which is realized within the FPGA. For transmitting data packets there are two slots, every slot can take an Ethernet packet. The slots can be written alternating and enable an efficient way for transmitting data.<br />At the end of this diploma thesis the throughput of data of the new network-interface is compared to the throughput of the conventional interface of the camera system and the used resources of the Open Source-core and the adapted Ethernet core are examined.<br />