NetFPGA

　　NetFPGA 是由美国斯坦福大学 (Stanford University) 开发设计的一个低成本 可重用硬件平台.它的出现使研究人员可以在硬件级别的开发环境上搭建 Gb/s 级高性能网络系统模型,从而进行网络系统的研究和测试.NetFPGA平台的软件系统包括操作系统、作为软件接口的驱动程序、实现各种硬件功能的逻辑代码、执行控制功能的软件程序、系统测试的脚本程序，以及计算机辅助设计软件工具。

　　最新的2.1版本NetFPGA开发板的实物图如图所示

　　NetFPGA的主要组成部分为：

　　Xilinx Virtex-II Pro 50 （赛灵思Virtex-II Pro 50 FPGA ）

　　JTAG cable connector can be used to run Xilinx （国际通用的JTAG测试端口）

　　4.5 MBStatic Random Access Memory (SRAM) （4.5 MB高速静态随机存取器）

　　Connector block on left of PCB interfaces to 4 external RJ45 plugs （4组高速以太网口）

　　Interfaces to standard Gigabit Ethernet using Cat5E or Cat6 copper network cables （支持Cat5E或Cat6标准电缆）

　　Wire-speed processing on all ports at all time using FPGA logic （基于FPGA硬件控制电路）

　　Two SATA-style connectors to Multi-Gigabit I/O (MGIO) on right-side of PCB （右侧两个串口连接线）

　　Double-Date Rate Random Access Memory (DDR2 DRAM) （64MB二代内存）

　　Standard PCI Form Factor （标准PCI接口）

　　Dimensions: 25cm long x 10cm tall (10 x 4)（25厘米长x 10厘米高）

　　NetFPGA平台的软件系统包括操作系统、作为软件接口的驱动程序、实现各种硬件功能的逻辑代码、执行控制功能的软件程序、系统测试的脚本程序，以及计算机辅助设计软件工具。

　　为了保证开放性，NetFPGA平台选择了CentOS操作系统。CentOS是一个开放源代码的Linux操作系统，全名为社区企业操作系统（Community Enterprise Operating System），是Red Hat的免费版本，相对于其他Linux发行版，其稳定性值得信赖，非常适合应用在网络和服务器平台。目前，NetFPGA平台已经支持32位的CentOS 4.4版本直至最新的5.2版本。

　　基于Linux内核的设备驱动程序是NetFPGA开发板与主机操作系统的软件接口。首先，驱动程序对NetFPGA的四个千兆以太网口进行配置，在系统内添加了四个命名为nf2c0、nf2c1、nf2c2、nf2c3的网络连接，从而使得PC主机上的用户空间软件可以通过NetFPGA开发板上的以太网端口来收发数据分组，就像使用普通的以太网口一样。其次，驱动程序给安装在主机上的每个NetFPGA板子预留了128MB的主机内存空间，开发板的片上寄存器、SRAM、DRAM被映射到内存中，应用程序通过对这些寄存器映像进行读写，从而控制NetFPGA的运行模式，监视数据通道的分组处理状态。再者，驱动程序使主机和NetFPGA之间按照DMA方式传送这个以太网帧，从而使主机在I/O进行的同时能够并行运算而不必等待I/O结束。

　　实现各种硬件功能的逻辑代码是由Verilog硬件设计语言编写的，这些代码通过仿真来测试和改进逻辑功能，之后生成bit文件下载到FPGA中，执行相应的硬件功能。NetFPGA作为一个开放平台，其研究者们已经贡献出了很多Verilog模块，这为我们的研究开发提供了很大的便捷。

　　完成控制功能的软件程序主要是由C语言编写，包括读写寄存器、网络协议的执行等功能。为了使操作简单和便捷，NetFPGA平台还提供了Java程序开发的图形用户界面（Java GUI）。

　　此外，Linux操作系统下的Shell脚本程序，可以用来调用C语言程序，从而对系统进行测试，评估其网络性能等。这些脚本程序通常是在Shell终端里，以命令行的方式运行的。

　　用于NetFPGA平台开发的计算机辅助设计（CAD）工具，对硬件设计进行仿真和调试。设计方案通过Mentor Graphics ModelSim来仿真，确保逻辑能够正确地执行。Verilog源代码通过Xilinx ISE进行综合，最终生成bit文件。最后，bit文件通过PC主机的命令行程序下载到FPGA并对其进行编程，从而执行设计的硬件功能。硬件电路的调试可以使用Xilinx ChipScope的片上逻辑分析仪，通过JTAG接口来完成。

　　组装PC主机

　　主机配置要求为双核或四核处理器，2G以上内存，额定功率400W以上的电源，主板必须带有PCI-Express和PCI插槽。主机攒好之后，将双口网卡和NetFPGA分别插到主板的PCI-Express和PCI插槽，并牢牢固定住。

　　安装操作系统

　　目前NetFPGA已经兼容从4.4到5.2的各个CentOS版本，由于CentOS暂时不支持SATA硬盘，需要通过设置主板BIOS使SATA硬盘工作在IDE模式。为了保险起见，安装过程中选择所有的组件。

　　安装Java

　　由于NetFPGA平台的控制软件中包含了Java语言编写的GUI界面，因此还必须安装Java JDK和JRE。

　　安装NetFPGA软件包

　　包含NetFPGA驱动程序和基本模块的软件包，可以从官方网站直接下载，安装之后进行编译，系统已经为NetFPGA的四个端口添加了驱动，出现了nf2c0，nf2c1，nf2c2和nf2c3四个网络连接。

　　安装CAD工具

　　编译工具采用Xilinx的ISE Foundation,仿真工具采用Mentor Graphics的ModelSim，调试NetFPGA上的信号采用Xilinx的 ChipScope Pro 。

　　测试

　　为了确保软硬件系统的正确设置，在安装完所有软件之后，对NetFPGA平台做了一系列测试。这些测试是由一系列Shell脚本程序来完成的，NetFPGA的基本软件包里已经包含了这些程序。