[發明專利]一種基于FPGA堆疊的多通道高帶寬數據交換方法

有效

• 申請號: 201810290500.1
• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN110351509B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 姚維久;劉雨;吳恂;胡旭東;馬保林
• 申請（專利權）人: 北京小鳥科技股份有限公司
• 主分類號: H04N5/765
• 分類號: H04N5/765;H04N21/845;H04N21/643
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理事務所(普通合伙) 11457
• 代理人: 黃云鐸

本發明提供了一種基于FPGA堆疊的多通道高帶寬數據交換方法，該方法使用的設備包括切換板卡、M個輸入板卡、K個輸出板卡和同步控制板卡，方法具體包括以下步驟：1)所述的M個輸入板卡中的每一個數據封裝單元根據數據封裝協議，對每路數據輸入信號的數據流封裝打包處理；2)所述的數據切片及分發單元用于將數據封裝單元發來的每個數據包均分為N份分別傳輸給N個FPGA數據切片交換單元；……；5)數據發送單元根據與輸入板卡相同的數據封裝協議，將數據切片重組單元發來的數據包去掉包括報文頭的封裝信息后恢復為原始的數據信號輸出。本發明的數據交換方法突破了受限于單芯片端口規模導致總端口規模受限的瓶頸，結構簡單合理，也極大地提升了單端口帶寬和傳輸效率。

技術領域

本發明屬于視頻處理技術領域，特別涉及一種基于FPGA堆疊的多通道高帶寬數據交換方法。

背景技術

隨著科技的不斷進步，尤其在專業視聽領域，隨著高清、超高清和甚高清視頻等大數據量業務的應用普及和爆炸式增長，市場上對高速數據交換矩陣的帶寬和規模提出了更高的需求。傳統交換矩陣無論在規模和帶寬方面都受到了極大挑戰。

傳統的數據交換方式大致分為以下3類：1)基于專用ASIC交換芯片的，比如Mindspeed(后被MACOM公司收購)公司的Crosspoint系列芯片。交換規模能做到從16×16到288×288,單路帶寬從3.2Gbps到12.8Gbps 不等。單芯片或者通過多芯片堆疊可達到更大規模；2)基于PCI-E結構的，如發明“CN201621394802一種基于PCI-E矩陣式網絡高速數據傳輸系統架構”；3)基于以太網等包交換的。但是以上現有技術都存在不足之處，主要缺陷有：1)基于專用ASIC交換芯片的方案。若采用單芯片方案會受限于芯片本身的規模，比如最大只能做到288×288規模。若采用多芯片堆疊方案，成本昂貴，硬件設計復雜。此外，生產超大容量專用交換芯片的供應商數量有限，容易造成采購困難或價格風險；2)基于PCI-E結構的方案。 a.容量受限于交換芯片本身規模。b.所有輸入輸出端口共享內部總線帶寬。在總端口數量達到一定程度時，單端口帶寬下降明顯，各端口帶寬難以保證；3)基于以太網等包交換的。同PCI-E架構一樣，共享內部總線帶寬，傳輸延時大且不固定。在交換數據吞吐率大時有丟包風險。

現有技術中已有基于FPGA架構的數據交換系統，比如發明“CN201320825955數字視頻交換系統”，其公開的技術方案是是基于單 FPGA架構的，總容量和單端口帶寬受限于FPGA本身技術和工藝，難以同時滿足超大規模和超高單端口帶寬的需求，主要用于小規模數據交換。雖然在該文獻中也提到可將多個數字視頻交換系統組成更大規模的數據交換系統，但該文獻并沒有公開這種多個單FPGA架構的數字視頻交換系統的具體結構，并且，這種多系統疊加的方式肯定也存在結構復雜、重復，傳輸效率及容錯率低的問題，也沒有提供具體的數據交換方法。

發明內容

本發明的發明目的是提供一種基于FPGA堆疊的多通道高帶寬數據交換方法，突破了受限于單芯片端口規模導致總端口規模受限的瓶頸，結構簡單合理，也極大地提升了單端口帶寬和傳輸效率。

本發明的具體技術方案是一種基于FPGA堆疊的多通道高帶寬數據交換方法，其特征在于，該方法使用的設備包括切換板卡、M個輸入板卡、K 個輸出板卡和同步控制板卡，所述的切換板卡用于將輸入的視頻信號進行交換傳輸，包括N個FPGA數據切片交換單元，每個FPGA數據切片交換單元具有M個SERDES接收端口和K個SERDES發送端口，所述的輸入板卡包括數據切片及分發單元和分別與數據切片及分發單元連接的N個數據封裝單元，每個數據封裝單元與一路數據輸入信號連接，所述的數據切片及分發單元具有通過SERDES傳輸線路分別與N個FPGA數據切片交換單元連接的N個SERDES發送端口，所述的輸出板卡包括數據切片重組單元和分別與數據切片重組單元連接的N個數據發送單元，每個數據發送單元用于輸出一路數據信號，所述的數據切片重組單元具有通過SERDES傳輸線路分別與N個FPGA數據切片交換單元連接的N個SERDES接收端口，所述的同步控制板卡包括分別與每個FPGA數據切片交換單元、數據切片及分發單元和數據切片重組單元連接的同步單元和控制單元，