Thiết Kế Và Hiện Thực IP Ethernet 1Gbit Trong Khóa Luận Tốt Nghiệp Kỹ Thuật Máy Tính

• Tác giả: Nguyen Ngoc Hai
• Người hướng dẫn: Ths. Ngo Hieu Truong
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết kế và hiện thực IP Ethernet 1Gbit/s trên FPGA
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu và phương pháp thực hiện
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ ETHERNET
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ETHERNET
• 2.1. Tổng quan mô hình OSI
• 2.2. Phạm vi của IP Ethernet trong mô hình OSI
• 2.3. Tổng quan về Media Access Control (MAC)
• 2.3.1. Địa chỉ MAC
• 2.4. Tổng quan về Media Independent Interface (MII)
• 2.4.1. Gigabit Media Independent Interface (GMII)
• 2.5. Frame
• 3. CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: HIỆN THỰC TRÊN PHẦN CỨNG
• 4.1. Kiểm thử chức năng của IP Ethernet 1Gbit/s trên FPGA
• 4.2. Kịch bản thử nghiệm
• 4.3. Xây dựng mô hình trên phần mềm Vivado
• 4.4. Tài nguyên sử dụng trên phần cứng
• 4.5. Tích hợp IP Ethernet vào một hệ thống SoC
• 4.5.1. Xây dựng hệ thống SoC
• 4.5.2. Xây dựng hệ thống SoC trên phần mềm Vivado
• 4.5.3. Xây dựng chương trình trên phần mềm Vitis
• 4.6. Tài nguyên phần cứng sử dụng
• 4.7. Khó khăn gặp phải
• 4.8. Hướng phát triển
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Thiết kế mạng

Khóa luận tập trung vào thiết kế mạng dựa trên IP Ethernet 1Gbit/s, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 802.3. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ thống mạng có khả năng giao tiếp với PC và truyền nhận dữ liệu hiệu quả. Thiết kế hệ thống mạng bao gồm việc xử lý các Ethernet frame, IPv4 packet, và UDP datagram, đảm bảo các giao thức được thực hiện đúng quy trình. Việc tích hợp IP Ethernet vào hệ thống SoC là một yếu tố quan trọng, giúp tối ưu hóa tài nguyên phần cứng.

1.1. Mục tiêu thiết kế

Mục tiêu của khóa luận là thiết kế và hiện thực IP Ethernet 1Gbit/s trên FPGA, đảm bảo khả năng nhận và gửi các gói tin Ethernet. Quá trình nhận dữ liệu bao gồm việc trích xuất thông tin từ các gói tin Ethernet, trong khi quá trình gửi dữ liệu đòi hỏi việc đóng gói thông tin thành các gói tin hoàn chỉnh. Thiết kế phần cứng mạng cần tuân thủ các giao thức tiêu chuẩn như MII, GMII, và AXI4.

1.2. Phương pháp thực hiện

Để hiện thực IP Ethernet 1Gbit/s, khóa luận sử dụng các công cụ như Vivado để biên dịch và triển khai thiết kế trên FPGA. Các giao thức như MII, GMII, và AXI4 Stream được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả. Quá trình thực hiện bao gồm việc xây dựng các module như MAC, IPv4, và UDP, cùng với việc tích hợp chúng vào một hệ thống SoC hoàn chỉnh.

II. Hiện thực mạng

Phần hiện thực mạng tập trung vào việc triển khai IP Ethernet 1Gbit/s trên FPGA. Các module chính như MAC, IPv4, và UDP được thiết kế và tích hợp vào hệ thống SoC. Quá trình hiện thực bao gồm việc kiểm thử chức năng của IP Ethernet trên FPGA, đảm bảo khả năng giao tiếp với PC và truyền nhận dữ liệu ở tốc độ 1Gbit/s. Kết quả thử nghiệm cho thấy IP Ethernet hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đề ra.

2.1. Kiểm thử chức năng

Quá trình kiểm thử bao gồm việc xây dựng các kịch bản thử nghiệm để đánh giá hiệu năng của IP Ethernet. Các kịch bản bao gồm việc gửi và nhận các gói tin ARP, IPv4, và UDP trên FPGA. Kết quả cho thấy IP Ethernet có khả năng xử lý các gói tin một cách chính xác và đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Gbit/s.

2.2. Tích hợp vào hệ thống SoC

Khóa luận cũng tập trung vào việc tích hợp IP Ethernet vào một hệ thống SoC sử dụng soft processor để điều khiển và cấu hình. Quá trình tích hợp bao gồm việc xây dựng hệ thống trên Vivado và sử dụng Vitis để phát triển phần mềm điều khiển. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng nhận dữ liệu, tuy nhiên vẫn gặp một số khó khăn trong việc gửi dữ liệu.

III. Công nghệ Ethernet

Khóa luận nghiên cứu sâu về công nghệ Ethernet, đặc biệt là 1Gbit Ethernet và các giao thức liên quan như MII, GMII, và AXI4. Các giao thức này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính tương thích và hiệu quả của IP Ethernet. Công nghệ mạng được áp dụng trong khóa luận bao gồm việc xử lý các Ethernet frame, IPv4 packet, và UDP datagram, đảm bảo dữ liệu được truyền nhận một cách chính xác và an toàn.

3.1. Giao thức MII và GMII

MII và GMII là các giao diện tiêu chuẩn giữa MAC và PHY, đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị mạng khác nhau. GMII hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 1Gbit/s, với các tín hiệu truyền và nhận được định nghĩa rõ ràng. Khóa luận sử dụng GMII để đảm bảo hiệu suất và tính ổn định của IP Ethernet.

3.2. Giao thức AXI4

AXI4 là giao thức giao tiếp giữa các module trong hệ thống SoC, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong việc truyền dữ liệu. Khóa luận sử dụng AXI4 Stream để kết nối các module như MAC, IPv4, và UDP, đảm bảo dữ liệu được truyền nhận một cách liền mạch và hiệu quả.

IV. Ứng dụng Ethernet

Khóa luận không chỉ tập trung vào thiết kế và hiện thực IP Ethernet 1Gbit/s mà còn nghiên cứu các ứng dụng Ethernet trong thực tế. IP Ethernet được tích hợp vào hệ thống SoC, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các thiết bị nhúng và hệ thống mạng tốc độ cao. Kết quả của khóa luận cho thấy tiềm năng lớn của IP Ethernet trong việc phát triển các giải pháp mạng hiện đại và hiệu quả.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống nhúng

IP Ethernet có thể được tích hợp vào các hệ thống nhúng để cung cấp khả năng kết nối mạng tốc độ cao. Việc sử dụng FPGA và SoC giúp tối ưu hóa tài nguyên phần cứng, đồng thời đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong việc triển khai các ứng dụng mạng.

4.2. Phát triển trong tương lai

Khóa luận cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải thiện hiệu suất của IP Ethernet và mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống mạng phức tạp hơn. Việc nghiên cứu sâu hơn về các giao thức mạng và công nghệ phần cứng sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của IP Ethernet.