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Forum: FPGA, VHDL & Co. Ethernet Datenstrom über mehrere FPGAs durchschleifen


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Autor: Ernst (Gast)
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Hallo,

da ich als stiller Mitleser hier in Forum schon einige hilfreiche Tipps 
entdeckt habe, möchte ich mich heute erstmals mit einer Frage an Euch 
wenden.

Und zwar geht es mir darum einen geeignetes FPGA-Chip oder 
Entwicklungsboard für mein Projekt zu finden:

Hierbei geht es um verschiedene Sensoren welche über SPI kommunizieren 
und später mit einem eigenen FPGA in ein Gehäuse eingebaut werden 
sollen. Diese Module sollen später wie ein TAP ihre Daten über Ethernet 
an einen PC senden. Jedoch möchte ich nicht jedes Modul direkt mit dem 
PC verbinden sondern nur eine Verbindung zum PC haben und dafür die 
Module aneinander reihen. Das ganze ist bewusst dezentral gehalten und 
nicht alle Sensoren an einem FPGA angebunden um eine gewisse Modularität 
zu erreichen. Wichtig wäre mir noch ein RTC bzw. Zeitstempel, damit ich 
die Daten aus verschiedenen Quellen über eine gemeinsamem Zeit 
darstellen kann. Die Hardware bis zum SPI steht bereits, nur leider bin 
ich in Sachen FPGA ein absoluter Neuling. Ich würde mich daher Freuen 
wenn mir jemand ein Entwicklungsboard (Später soll das Modul ein eigenes 
Layout bekommen) empfehlen könnte um erste Erfahrungen zu sammeln, oder 
auch wenn mein Vorhaben so nicht umsetzbar ist.

Danke und Gruß

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Warum willst Du FPGAs nehmen? Welche Datenrate haben Deine Sensoren.
Zur Ankopplung an Ethernet würd ich lieber ein fertigs Board nehmen, 
z.B. RaspberryPi.

Autor: Ernst (Gast)
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Hallo Martin,

das hätte ich wohl noch dazu schreiben sollen. Es sind 18bit bei 1MHz 
Abtastrate pro Modul also doch einiges an Daten. Ist dies mit einem 
RaspberryPi noch machbar? Prinzipiell bin ich auch keinem µC abgeneigt 
aber hatte irgendwie schon FPGA im Kopf ohne das jetzt zu begründen.

Autor: mmm (Gast)
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Ich sehe keinen Grund einen FPGA zu nehmen. Ich würde einen Cortex-M mit 
Etherenet nehmen und für das "durchschleifen" ein Ethernet-Switch-IC mit 
drauf packen...

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Senden alle Module ohne Pause mit je 18*1Mbit/sec ?
Wieviele Module sind es maximal ?

Autor: Ernst (Gast)
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Im Messbetrieb kann das durchaus vorkommen das alle senden. Die genaue 
Modulanzahl habe ich mir noch nicht überlegt aber ich hoffe das es mit 
bis zu 10 Stück funktioniert.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Dann würd ich Auschau halten nach einem FPGA-Board, das nen 
Gigabit-Ethernet Interface unterstützt. Die Messmodule selbst können 
vermutlich relativ kleine FPGAs besitzen.

Autor: Ernst (Gast)
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Cortex-M  schau ich mir mal an :)

@Martin, ok also kein interen sondern ein zweikanal Interface extra 
dazuhängen. Die Aufgabe des FPGA ist eigentlich "nur" die umsetzung der 
Daten von SPI in einen Frame plus Zeitstempel anbringen. Wie meinst Du 
das mit "kleinen FPGA"? Es soll ja keine Zentrale Steuerung geben sonder 
das Entwicklungsboard nur für den Anfang genutzt werden uns später alles 
ins Modul integriert werden.

Autor: Frank K. (fchk)
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Ein Pi ist bei datenintensiven Anwendungen so ziemlich das dümmste, was 
man nehmen kann, weil das Ethernet dort über USB läuft. Wenn, dann wäre 
ein BeagleBone sinniger.

18 MBit/s sind einzeln nicht besonders viel. Dafür reicht etwas in der 
Größenordnung MSP432 bzw Tiva TM4C129. Da sind MAC und PHY schon im Chip 
eingebaut.

Für Timing gibts mit IEEE 1588 eine Standardlösung, die bis hinab in den 
µs Bereich geht. Das erfordert spezielle Hardwareunterstützung in den 
beteiligten Netzwerkteilnehmern. Die oben erwähnten MSP432 bzw TM4C129 
haben diesen Hardwaresupport. Der zu verwendende PC braucht auf dem 
Interface auch den passenden Hardwaresupport und passende 
Treiberunterstützung.

Mit dem Hintereinanderschalten der einzelnen Geräte handelst Du Dir nur 
Probleme ein. Jeder Tap verursacht eine Verzögerung, und jeder Tap 
braucht plötzlich mindenstens Gigabit Ethernet, was dann wieder den Rest 
der Hardware komplexer macht. Mit einem vernünftigen Switch skaliert das 
alles besser - da ist einzige Flaschenhals der Link zum PC, und wenn Du 
dort und nur dort eine 10GBit Karte einbaust und einen Switch mit ein 
oder zwei 10GBit-Uplinkports nimmst, dann hat sich das Thema auch 
erledigt, dann sind auch 100 Module kein Problem.

fchk

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin S. (strubi)
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Moin Ernst,

wenn Du das Rad nicht neu drechseln willst, hätte ich allenfalls eine 
Lösung für Dich. Müsste man allerdings die SPI-Seite (Master oder Slave? 
DMA?) abklären. Gibt dazu ein Evalkit und etwas Doku:

http://section5.ch/index.php/product/netpp-node-v0-1/

Ich habe bisher nur 200kS/s ausprobiert, aber mit demselben System 
kommst du im Prinzip an die volle Bandbreite des Ethernet mit UDP/RTP 
(Real-Time-Protokoll). Modul macht 100 MBit, also kriegst du von zehn 
davon die Daten über einen passenden GBit-Hub weg, aber nur im 
einigermassen "sandboxed" UDP-Betrieb.

Von RPi, Beagleboard und Konsorten kann ich in dem Kontext auch nur 
abraten. Die sind nur mit TCP/IP einigermassen zu brauchen, ansonsten 
ist die USB-Tunnelei ein echter Murks.

Autor: Ernst (Gast)
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Super das hört sich grade schon nach einer ganz guten Basis an.
Ich überarbeite grade mein Konzept noch einmal Richtung Stern aus Switch 
und Modulen und was mit  IEEE 1588  möglich wäre.

Neu drechseln möchte ich natürlich nicht. sondern möglichst schnell auf 
eine umsetzbare Lösung kommen. Ob es ein Spartan6 FPGA sein muss, der 
ist ja im Vergleich zu den anderen beiden nicht Frank vorgeschlagenen 
nicht ganz günstig.

Die Datenmenge an sich ist eigentlich nicht so viel es ist nur wichtig, 
dass keine Messpunkte verloren gehen und der Chip gängige Ethernet 
Mechanismen wie wiederholtes senden unterstützt.


Danke und Gruß

Autor: Kest (Gast)
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Hier ist von ein Board mit 2xETH von Intel/Altera:
https://www.altera.com/products/boards_and_kits/dev-kits/altera/max-10-fpga-development-kit.html

Du brauchst "nur" einen MAC (gibts bei OpenCores oder sonst was zu 
finden). Es ist nicht sooo trivial, besonders für einen Anfänger, Daten 
über Ethernet zu schicken. Du (oder Dein MAC-Core) muss sich um 
Konfiguration, Arp-Packete/Antworten kümmern. Aber UDP-Protokoll (damit 
es einfach ist), ist nicht besonders kompliziert und übersichtlich.

oder Du nimmst, NIOS auf dem Board und implementierts den MAC im NIOS 
(Gibts auch als IP-Core und ich glaube sogar frei?)

Kest

Autor: Vka (Gast)
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Ernst schrieb:
> Die Datenmenge an sich ist eigentlich nicht so viel es ist nur wichtig,
> dass keine Messpunkte verloren gehen und der Chip gängige Ethernet
> Mechanismen wie wiederholtes senden unterstützt.

Dann würde ich tatsächlich auch einzelne kleine Ethernet Teilnehmer mit 
einem soliden TCP/IP Stack einsetzen.
Beim "durchschleifen" hast du sonst auch Probleme mit der 
Zuverlässigkeit.

Autor: Strubi (Gast)
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Vka schrieb:
> Dann würde ich tatsächlich auch einzelne kleine Ethernet Teilnehmer mit
> einem soliden TCP/IP Stack einsetzen.

Nur so am Rande: Das hat bisher bei mir mehr Probleme geschaffen als 
gelöst. Bei Echtzeitanwendungen kann man sich allzuviel Datenpuffern 
nicht leisten, wenn die TCP-Verbindung hängt (und das kann sie lange).
Lieber setzt man eine separate Box ein, die keine UDP-Pakete wegwirft 
oder reordert, und daraus einen TCP-Stream irgendwohin tunnelt.
Wenn die 90 kHz von RTP reichen, braucht man auch keinen 1588-fähigen 
MAC-Layer.

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