基于PCI总线的高速光互连网络接口技术研究

论文摘要

计算机机群系统是并行计算的发展方向,具有高性价比和高扩展性的特点。机群系统的网络介质和拓扑结构是影响系统通信性能的重要因素,光互连技术以其高带宽、低延迟的特点在多计算机并行计算系统中取得了广泛应用。本文在课题组前期高速光互连工作的基础上,设计了一种具有简单网络拓扑结构和通信协议的双层波分复用光互连网络;采用现场可编程门阵列（FPGA）和内嵌16K字节双端口SRAM的PCI总线控制器（PCI-DP）设计了应用于环网通信的千兆光网络接口卡,实现了PCI总线全带宽的互连通信;开发了光互连软件系统和通信协议,对环网通信性能进行了评估。本文完成的工作:结合高速数字路由器提出了双层波分复用光互连网络设计方案,建立了网络通信模型,采用FPGA和PCI-DP改进了环网光网络接口卡的结构设计,基于信号完整性原理进行了光网络接口卡的PCB优化设计。采用现代EDA设计方法进行光网络接口卡的FPGA逻辑功能设计,采用了集中控制式设计优化了总体设计方案,通过硬件电路实现了对数据包的发送、接收、转发和清除功能。以减少通信延迟和降低软件开销为目的,开发了光网络接口卡的设备驱动程序,设计了面向机群系统的网络通信协议。利用软件测试了光网络接口卡在不同工作环境下的DMA平均传输带宽,分析了传输字节数与传输带宽的关系。利用硬件测试了PCI总线控制器局部总线的猝发工作时序,评估了光网络接口卡的硬件性能。工作中的创新点:一、采用具有大量存储器资源的PCI总线控制器,当数据发送错误时,可直接从卡载缓存重发而不必经过计算机内存,降低了系统通信延迟。二、采用内置FIFO结构,接收缓存不再采用单独的FIFO器件,降低了系统复杂性,增强了链路功能。三、基于光网络接口卡和数据路由器,提出了一种兼具简单网络拓扑结构和通信协议的双层波分复用光互连网络。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文的研究目的和背景
• 1.2 光互连在网络互连技术中的应用
• 1.2.1 计算机机群系统
• 1.2.2 光纤互连网络
• 1.2.3 波分复用光网络及相关技术
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 高速光互连网络及光网络接口卡
• 2.1 光互连网络拓扑结构
• 2.2 基于PCI 总线的光网络接口卡的设计思想
• 2.2.1 光网络接口卡的结构与数字路由器的应用
• 2.2.2 改进的光网络接口卡
• 2.3 光网络接口卡的主要功能模块
• 2.3.1 时钟控制模块
• 2.3.2 光电/电光转换模块
• 2.3.3 串并/并串转换模块
• 2.3.4 核心控制模块
• 2.3.5 PCI 总线接口控制模块
• 2.4 光网络接口卡的初始化和配置电路
• 2.5 光网络接口卡的PCB 设计
• 本章小结
• 第三章 光网络接口卡的 FPGA 设计
• 3.1 现场可编程门阵列器件与光互连
• 3.2 基于多种EDA 开发平台的FPGA 设计
• 3.2.1 可编程逻辑器件开发平台
• 3.2.2 可编程逻辑器件设计流程
• 3.2.3 VHDL 硬件描述语言
• 3.3 具有数据路由功能的光网络接口卡的FPGA 模块化设计
• 3.3.1 点对点与环网链路的集中控制式FPGA 设计
• 3.3.2 环网链路FPGA 各功能模块逻辑设计
• 本章小结
• 第四章 光互连网络软件系统和通信协议
• 4.1 软件系统综述
• 4.1.1 软件系统的方案选择
• 4.1.2 光互连环网软件系统结构
• 4.1.3 Windows 设备驱动程序开发
• 4.2 面向机群系统的网络通信协议的设计
• 4.2.1 数据分帧过程
• 4.2.2 MTU 大小对传输效率的影响
• 4.2.3 应用程序的帧类型及帧格式
• 4.2.4 文件传输流程
• 本章小结
• 第五章 光网络接口卡的应用及性能分析
• 5.1 光网络接口卡的软件测试
• 5.1.1 硬件操作特性测试
• 5.1.2 DMA 传输带宽测试
• 5.2 光网络接口卡的硬件测试
• 5.2.1 时钟分布网络测试
• 5.2.2 PCI-DP 局部总线时序分析
• 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录1 光网络接口卡
• 附录2 硬件描述语言设计顶层文件
• 附录3 PCI-DP 配置寄存器
• 附录4 PCI-DP 操作寄存器
• 致谢