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1 Fakultät Informatik Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur Vortrag zur Diplomarbeit Entwurf und Implementierung eines zuverlässigen verbindungsorientierten Transportprotokolls für die Kommunikation zwischen PC und FPGA Jonas Eymann Dresden, Betreuer: Dipl.-Inf. Martin Zabel

2 Gliederung Motivation und Aufgabenstellung ISO/OSI Modell - Begriffe Transportschicht Entwicklungsplattform und Gesamtsystem Übertragungsmedien Konzeption des Transportprotokolls Arbeitsstand und Ausblick Folie 2 von 17

3 Motivation Anbindung von FPGAs an den PC via RS-232 nicht mehr zeitgemäß am PC oft keine serielle Schnittstelle mehr vorhanden geringe Übertragungsrate (typischerweise max Bit/s) Alternativen Universal Serial Bus (USB) - Low speed: 1,5 Mbit/s, Full speed: 12 Mbit/s (USB 1.0/1.1) - High speed: 480 Mbit/s (USB 2.0) Ethernet / IEEE /100/1000 Mbit/s PCI Express FireWire / IEEE 1394 drahtlos (z.b. WLAN / IEEE , Bluetooth / IEEE )... Folie 3 von 17

4 Aufgabenstellung Entwurf eines zuverlässigen verbindungsorientierten Transportprotokolls zwischen PC und FPGA Spezifikation der Schnittstelle sowohl zur Anwendung als auch zur Sicherungsschicht Entwurf und Implementierung von HW und SW für zwei verschiedene Übertragungsmedien Test und Bewertung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit Hardware: Xilinx ML505 Evaluation Platform Folie 4 von 17

5 ISO/OSI Modell - Begriffe Anwendungsschicht Darstellungsschicht Sitzungsschicht Services der Transportschicht Interface Transportschicht Protokoll Protocol Data Unit (PDU) Services der Vermittlungsschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Application layer Presentation layer Session layer Transport layer Network layer Data link layer Physical layer Physikalisches Übertragungsmedium Folie 5 von 17

6 Services der Transportschicht zuverlässiges verbindungsorientiertes Transportprotokoll zuverlässig fehlerfrei vollständig in ursprünglicher Reihenfolge frei von Duplikaten verbindungsorientiert echte Ende-zu-Ende-Verbindungen Übertragung eines Bytestreams Folie 6 von 17

7 Aufgaben der Transportschicht Verbindungsauf- und Abbau Acknowledgements Flow control Feedbackbasiert Ratenbasiert Fehlererkennung Sequenznummern, Längenfelder, Checksummen / CRC Fehlerkorrektur nochmalige Übertragung - Selective repeat oder Go back N Verwerfen von doppelten Paketen Folie 7 von 17

8 Xilinx ML505 Evaluation Platform Folie 8 von 17

9 Gesamtsystem Folie 9 von 17

10 Ethernet Daten werden in Frames übertragen verbindungslos Empfangene Frames werden verworfen wenn CRC Prüfung Fehler ergab Länge des Datenpakets kein Vielfaches von 8 ist Länge nicht mit Längenangabe übereinstimmt (IEEE 802.3) Vertauschung von Frames und Duplikate möglich (bei Alternativrouten) Folie 10 von 17

11 Universal Serial Bus Vier Paketklassen: Token, Data, Handshake, Special enthalten CRC Prüfsumme Zeitspanne von 1 ms bildet ein Frame (125 µs Micro-Frames bei High-Speed) Datenübertragung erfolgt in Transaktionen Transaktion: Sequenz von Paketen vier verschiedene Transaktions-Klassen - Control - Interrupt - Isochronous (nur USB 2.0) - Bulk (nur USB 2.0) zuverlässige Ende-zu-Ende Kommunikation möglich automatische Neuübertragung bei Fehlern (bei Control, Interrupt und Bulk Transaktionen) Folie 11 von 17

12 Konzeption des Transportprotokolls I Vermittlung nicht notwendig Punkt-zu-Punktverbindung zur Kompilierzeit bekannt Transportschicht setzt direkt auf Sicherungsschicht auf Empfangene Frames werden als fehlerfrei angenommen In-Band Signalisierung Verbindungsaufbau von PC-Seite initiiert 3-Way-Handshake Folie 12 von 17

13 Konzeption des Transportprotokolls II Verbindungsabbau durch 2-Way-Handshake Transport Protocol Data Unit Typen: Conn.Req, Conn.Ack, Teardown, Teardown Ack, Data Folie 13 von 17

14 Konzeption des Transportprotokolls III TPDU Aufbau feste Größe Sequenznummern für komplette TPDUs Flusskontrolle über Sliding Window zuerst mit n=1 als Stop-and-Wait abhängig von Puffergröße und Laufzeit Folie 14 von 17

15 Konzeption des Transportprotokolls IV Keine zusätzliche Prüfsumme Fehlerkorrektur doppelte TPDUs werden verworfen erneute Übertragung nach Timeout Go back N (keine Umsortierung) Folie 15 von 17

16 Arbeitsstand und Ausblick Arbeitsstand Literaturrecherche abgeschlossen HPI Modul implementiert USB Controller Firmware Upload aus FPGA ROM implementiert Ausblick Entwicklung der USB Controller Firmware Test und ggf. Anpassung der vorhandenen Ethernet- Implementierung Implementierung des Transportprotokolls schriftliche Dokumentation Folie 16 von 17

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 17 von 17

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