Zynq-7000 AP SoC で PL イーサネットを使用する場合の PS

ア プ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト : Zynq-7000 AP SoC
Zynq-7000 AP SoC で PL イ ーサネ ッ ト を
使用する場合の PS および PL イ ーサネ ッ ト の性
XAPP1082 (v1.0) 2013 年 4 月 9 日
概要
能 と ジ ャ ンボ フ レームのサポー ト
著者 : Srinivasa Attili、 Sunita Jain、 Sumanranjan Mitra
こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト は、 Zynq®-7000 All Programmable (AP) SoC の イ ーサネ ッ ト ペ リ フ ェ
ラ ルに焦点を当ててい ます。 こ こ では、 Extended Multiplexed I/O (EMIO) イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て、
プ ロ セ ッ シ ン グ シ ス テ ム (PS) ベース のギガ ビ ッ ト イ ーサネ ッ ト MAC (GEM) と 、 プ ロ グ ラ マブル ロ
ジ ッ ク (PL) 内の高速シ リ アル ト ラ ン シーバーを使用す る 1000BASE-X 物理 イ ン タ ーフ ェ イ ス を使用
す る 方法について説明 し ます。 ま た、 ジ ャ ン ボ フ レーム をサポー ト す る PL ベース の イ ーサネ ッ ト の イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ンについて も 説明 し ます。
こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト に付属す る デザ イ ンでは、複数の イ ーサネ ッ ト ポー ト を使用で き ます。 ま
た、 デザ イ ン用のカーネル モー ド の Linux デバ イ ス ド ラ イ バーが提供 さ れてい ます。 さ ら に、 こ の資
料には、 チ ェ ッ ク サ ム オ フ ロ ー ド のサポー ト を有効/無効に し て測定 し た イ ーサネ ッ ト の性能値 も 記載
さ れてい ます。
は じ めに
Zynq-7000 AP SoC デバ イ スは、 ザ イ リ ン ク ス の All Programmable SoC アーキ テ ク チ ャ を採用 し てい
ます。 こ の製品は、 デ ュ アル コ ア ARM® Cortex™-A9 MPCore™ ベース の PS と PL を 1 つのデバ イ
ス に統合 し た も のです。
PL は、 プ ロ グ ラ マブル ロ ジ ッ ク 、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ロ ジ ッ ク 、 お よ び関連する エンベデ ッ ド デ
バ イ ス で構成 さ れます。 PS は、 プ ロ セ ッ サ ユニ ッ ト 、 オンチ ッ プ メ モ リ 、 外部 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ
ス、 お よ び 2 個のギガ ビ ッ ト イ ーサネ ッ ト コ ン ト ロ ー ラ ー (GEM) を含むペ リ フ ェ ラ ル接続 イ ン タ ー
フ ェ イ ス で構成 さ れます。 こ れは Extended Multiplexed I/O (EMIO) イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て PL 信
号にア ク セ ス し 、 物理 イ ン タ ーフ ェ イ ス に接続 し ます。
こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト に付属するデザ イ ンでは、PS-GEM0 は Reduced Gigabit Media Independent
Interface (RGMII) を介し て Marvell PHY に接続 さ れてお り 、 ZC706 ボー ド では こ れがデフ ォル ト 設定で
す。 こ こ では、 追加の イ ーサネ ッ ト ポー ト のデザ イ ンに焦点を当てて解説 し ます。 次のデザ イ ンについ
て説明 し ます。
•
EMIO イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て PL 内の 1000BASE-X 物理 イ ン タ ーフ ェ イ ス に接続 さ れ る PS
イ ーサネ ッ ト (GEM1)
•
PL 内に ソ フ ト ロ ジ ッ ク と し て イ ンプ リ メ ン ト さ れ、 PL 内の 1000BASE-X 物理 イ ン タ ーフ ェ イ ス
に接続 さ れ る PL イ ーサネ ッ ト
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1
は じ めに
図 1 に、 ZC706 ボー ド 上の イ ーサネ ッ ト イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を示 し ます。
注記 : ZC706 ボー ド は 1000BASE-X PHY 用 SFP ケージ を 1 つ し か搭載 し ていないため、 3 つの イ ー
サネ ッ ト リ ン ク を同時にア ク テ ィ ブにす る こ と はで き ません。PS-GEM0 は、常に RGMII Marvell PHY
に接続 さ れ ま す。 PS-GEM1 と PL イ ーサネ ッ ト が 1000 BASE-X PHY を共有す る ので、 同時に ア ク
テ ィ ブにな る イ ーサネ ッ ト リ ン ク は 2 つま でです。
X-Ref Target - Figure 1
3URFHVVLQJ6\VWHP
8$57
0HPRU\
,QWHUIDFH
$38
&HQWUDO
,QWHUFRQQHFW
[LOLQ[BHPDFSV
36*(0/LQN
3/WR0HPRU\
,QWHUFRQQHFW
*,&
0DUYHOO
5*0,,
*0,,WR
0,2 5*0,,
'0$
*(0
ELW*3
$;,0DVWHU
'0$
*(0
*0,,
9LD
(0,2
ELW+3$;,6ODYH
$;,,QWHUFRQQHFW
[LOLQ[BHPDFSVBHPLR
$;,,QWHUFRQQHFW
36*(0/LQN9LD(0,2
6)3
*7;
7UDQVFHLYHU
%$6(;
$;,'0$
3/(WKHUQHW/LQN
[LOLQ[BD[LHQHW
$;,(WKHUQHW
*0,,
3URJUDPPDEOH/RJLF
;BB
図 1 : Zynq-7000 AP SoC イ ーサネ ッ ト イ ン タ ー フ ェ イ ス
基準ク ロ ッ ク の生成
こ のデザ イ ンは、 ZC706 ボー ド 上で SFP ケージに接続 さ れた Zynq-7000 AP SoC の GTX ト ラ ン シー
バー X0Y10 を 1000BASE-X ト ラ ン シーバー用に使用 し ま す。 GTX ト ラ ン シーバーの基準 ク ロ ッ ク
(125MHz の差動 ク ロ ッ ク ) は、 ZC706 ボー ド の Si5324 ジ ッ タ ー減衰器か ら 生成 さ れます。 ク ロ ッ ク 分
周器の値は、 Si5324 に接続 さ れた 114.285MHz 水晶振動子か ら 125MHz を生成す る よ う に調整 さ れま
す。
Si5324 ド ラ イ バーは、 I2C イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し てデバ イ ス を プ ロ グ ラ ム し 、 必要な ク ロ ッ ク 値を生
成 し ま す。 こ の ド ラ イ バーは、 Si5324 を ブー ト 時に一度初期化 し ま す。 ブー ト 時には、 I2C フ レ ーム
ワー ク に よ っ て ド ラ イ バーのプ ロ ーブ機能が起動 さ れます。 プ ロ ーブ機能は、 デバ イ ス ツ リ ーか ら ク ラ
イ ア ン ト ア ド レ ス を取得 し 、 ハー ド ウ ェ ア レ ジ ス タ を適切な値でプ ロ グ ラ ム し ます。 Si5324 の詳細は、
[参照 1] を参照 し て く だ さ い。
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2
EMIO を介 し た PS GEM の使用
EMIO を介 し た
PS GEM の使用
こ のセ ク シ ョ ンでは、EMIO イ ン タ ーフ ェ イ ス を経由 し て PS イ ーサネ ッ ト ブ ロ ッ ク GEM1 を PL PHY
で使用す る 方法について説明 し ます。 PS イ ーサネ ッ ト ブ ロ ッ ク は、 EMIO、 GMII、お よ び Management
Data Input/Output (MDIO) イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て、PL か ら ア ク セ ス可能にな り ます。1000BASE-X
PCS/PMA コ アは イ ーサネ ッ ト 物理媒体 と し て使用 さ れ ま す。 こ の コ アは、 高速シ リ アル ト ラ ン シー
バーを使用 し て ZC706 ボー ド 上の SFP ケージにア ク セ ス し ます。SFP ケージ と 標準 イ ーサネ ッ ト LAN
の接続は、 SFP-RJ45 コ ンバー タ ー モジ ュ ールを介 し て行われます。
ハー ド ウ ェ ア デザイ ン
図 2 にデザ イ ン のブ ロ ッ ク 図を示 し ます。 GMII イ ン タ ーフ ェ イ ス は EMIO ピ ン を介 し て PHY と PS
EMAC を接続 し ます。 GEM1 ブ ロ ッ ク はハー ド ウ ェ ア シ ス テ ムの生成中に有効にな り ます。 PS_GEM
のチ ェ ッ ク サム オ フ ロ ー ド の詳細は、 [参照 2] の 「ギガ ビ ッ ト イ ーサネ ッ ト コ ン ト ロ ー ラ ー」 の章の
「チ ェ ッ ク サ ム オ フ ロ ー ド 」 を 参照 し て く だ さ い。 詳細 は、 [ 参照 3] の 「Zynq-7000 AP SoC で の
1000BASE-X PHY の使用」 の章を参照 し て く だ さ い。
X-Ref Target - Figure 2
6RIWZDUH'ULYHU)RU/LQX[
6WDQGDUG1HWZRUNLQJ
$SSOLFDWLRQ
'HYLFH7UHH
/LQX[,PDJH
7&3,36WDFN
36(WKHUQHW'ULYHU
3URFHVVLQJ6\VWHP
*0,,B7;
*0,,B7;B&/.
*0,,B5;B&/.
(WKHUQHW
0$&
*(0
*0,,B5;
%$6(;
3&630$2U
6*0,,
*
7
6)3
0+]*7
5HIHUHQFH&ORFN
0',2
0'&
6L
3URJUDPPDEOH/RJLF
;BB
図 2 : デザイ ンのブ ロ ッ ク図
ソ フ ト ウ ェ ア デザイ ン
デザ イ ンは、 リ フ ァ レ ン ス デザ イ ンの zip フ ァ イ ルに含まれてい る xilinx_emacps_emio.c ド ラ イ
バー コ ー ド を使用 し ます。 こ の コ ー ド は、 PS GEM ド ラ イ バー xilinx_emacps.c をベース に し てい
ます。
EMIO イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て GEM1 を有効にす る には、 特定の レ ジ ス タ を プ ロ グ ラ ムす る 必要が
あ り ま す。 こ れは Zynq-7000 AP SoC の First Stage Bootloader (FSBL) が使用す る PS コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン デー タ の一部です。第 2 の GEM 用に EMIO を有効に し て シ ス テ ム を生成す る 際には、ハー
ド ウ ェ ア デザ イ ンの SDK エ ク ス ポー ト で利用可能な ps7_init.tcl フ ァ イ ルに、 デフ ォ ル ト で次の
レ ジ ス タ 設定が含まれます。
•
受信 ク ロ ッ ク 、 デー タ 、 お よ び制御信号の ソ ース と し て EMIO を選択する 場合
SLCR.GEM1_RCLK_CTRL[SRCSEL] ビ ッ ト を 1 にセ ッ ト する
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3
EMIO を介 し た PS GEM の使用
•
基準 ク ロ ッ ク を生成す る ソ ース と し て EMIO を選択する 場合
SLCR.GEM1_CLK_CTRL[SRCSEL] ビ ッ ト を 3’b1xx にセ ッ ト す る
こ こ で、 x は 1 ま たは 0 の ど ち ら で も よ い don’t care ビ ッ ト です。
xilinx_emacps_emio ド ラ イ バーは、 PS の GEM イ ーサネ ッ ト コ ン ト ロ ー ラ ーに接続 さ れ る DMA コ ン
ト ロ ー ラ ーを使用 し ます。 こ の ド ラ イ バーは、 DMA 記述子 リ ン グのセ ッ ト ア ッ プ、 割 り 当て、 再利用
な ど の複数の機能を担い ます。 割 り 込みの ス テー タ ス は DMA イ ベン ト も 暗黙的に反映する ため、 割 り
込み処理は PS GEM イ ベン ト に対 し てのみ行われます。 ま た、 デバ イ ス ツ リ ーは PS-GEM1 と 関連す
る パ ラ メ ー タ ーを含む よ う に更新 さ れます。
注記 : TBI な ど のほかの PL 物理 イ ン タ ーフ ェ イ ス をサポー ト する には、 ハー ド ウ ェ ア デザ イ ン と デバ
イ ス ツ リ ーを変更す る 必要があ り ます。 PHY 独自の初期化は Linux ド ラ イ バー内の phylib サブシ ス テ
ムで処理 さ れ、 PHY に関す る 情報はデバ イ ス ツ リ ーに含む こ と がで き ます。 PHY プ ロ グ ラ ムに phylib
サブシ ス テ ム を使用す る には、 phylib サブシ ス テ ム がその PHY の PHY 初期化ルーチン を サポー ト し
てい る こ と が要件です。 サポー ト し ていない場合は、 こ のルーチン を ド ラ イ バー内に イ ンプ リ メ ン ト す
る 必要があ り ます。
Linux ド ラ イバー
デザ イ ン用にモ ノ リ シ ッ ク な Linux デバ イ ス ド ラ イ バーが提供 さ れてい ます。 図 3 に、 PS イ ーサネ ッ
ト イ ン タ ーフ ェ イ ス の ソ フ ト ウ ェ ア アーキ テ ク チ ャ を示 し ます。 「付録 A」 に、 こ のデザ イ ンのデバ イ
ス ツ リ ーを記載 し てい ます。
X-Ref Target - Figure 3
8VHU/HYHO
SURFGHY
/LQX[.HUQHO
6FKHGXOHU
SURFLQWHUIDFH
GHYLQWHUIDFH
'ULYHU0RGXOH
6RIW,54
'R,54
7UDQVPLW
,65
5HFHLYH
,65
7UDQVPLW
7DVNOHW
5HFHLYH
7DVNOHW
7UDQVPLW
7RS+DOI
5HFHLYH
7RS+DOI
HWKWRROVXSSRUW
'0$$FFHVV
7;%'5LQJ
PDQDJHPHQW
5;%'5LQJ
PDQDJHPHQW
(WKHUQHW'ULYHU
5HFHLYH
2YHUIORZ
+DUGZDUH
7UDQVPLW
2YHUIORZ
*,&,QWU&RQWUROOHU
(WKHUQHW7UDQVPLW
'0$&KDQQHO
7UDQVPLW
'0$
(WKHUQHW'0$
ILQLVKGRQHKDOW
HUURUHYHQWV
3+</LEUDU\
(7+722/
0,,3+<
+RRNV
*HW6HWVHWWLQJV
PGLRBUHDG
*HWGUYLQIR
PGLRBZULWH
*HW/LQN
PGLRBUHVHW
*HW6HW:2/
DGMXVWBOLQN
5HFHLYH
'0$
*0,,
3+<
0,,,QWHUIDFH
;BB
図 3 : PS イ ーサネ ッ ト イ ン タ ー フ ェ イ スの ソ フ ト ウ ェ ア アーキテ ク チ ャ
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PL イ ーサネ ッ ト の使用
PL イ ーサネ ッ ト
の使用
こ のセ ク シ ョ ンでは、 イ ーサネ ッ ト の PL での イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンについて説明 し ます。 デザ イ ン
は、 AXI Ethernet、 AXI DMA、 AXI Interconnect の IP コ ア で 構成 さ れ ま す。 AXI Ethernet IP は、
1000BASE-X PHY に接続 さ れます。 こ のデザ イ ン では、PS-DDR メ モ リ への高速ア ク セ ス に HP (High
Performance) ポー ト を使用 し ますが、 HP ポー ト がほかのペ リ フ ェ ラ ルに占有 さ れてい る 場合は、 汎用
ス レーブ ポー ト を使用す る こ と も で き ます。
ハー ド ウ ェ ア デザイ ン
図 4 に、 PL での イ ーサネ ッ ト イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンのブ ロ ッ ク 図を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 4
6RIWZDUH'ULYHU)RU/LQX[
6WDQGDUG1HWZRUNLQJ
$SSOLFDWLRQ
3URFHVVLQJ6\VWHP
8$57
0HPRU\
,QWHUIDFH
$38
7&3,36WDFN
(WKHUQHW'ULYHU
$;,'0$$;,(WKHUQHW
''5
&HQWUDO
,QWHUFRQQHFW
3/WR0HPRU\
,QWHUFRQQHFW
*,&
&ORFN
*HQHUDWLRQ
ELW*3
$;,0DVWHU
ELW+3$;,6ODYH
'HYLFH7UHH
$;,,QWHUFRQQHFW
$;,,QWHUFRQQHFW
$;,'0$
0+]
)&/.
5;
7;
ELW#0+]
'DWDSDWK
006
600
/LQX[,PDJH
$;,(WKHUQHW
*0,,ELW#0+]
%$6(;
3&630$
3URJUDPPDEOH/RJLF
*7;7UDQVFHLYHU
%$6(;,QWHUIDFH
6L
6)3
0+]*7
5HIHUHQFH&ORFN
;BB
図 4 : PL イ ーサネ ッ ト デザイ ンのブ ロ ッ ク図
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PL イ ーサネ ッ ト の使用
HP ポー ト は、 PL と PS DDR3 メ モ リ 間の高速デー タ 転送に使用 さ れ ま す。 こ のポー ト は、 AXI イ ン
タ ー コ ネ ク ト を 介 し て、 AXI DMA ス キ ャ ッ タ ー ギ ャ ザー イ ン タ ー フ ェ イ ス、 Stream to Memory
Mapped (S2MM) イ ン タ ーフ ェ イ ス、 お よ び Memory Mapped to Stream (MM2S) イ ン タ ーフ ェ イ ス に
接続 さ れます。AXI イ ン タ ー コ ネ ク ト は、64 ビ ッ ト HP ポー ト を AXI DMA の 32 ビ ッ ト イ ン タ ーフ ェ
イ ス に接続す る ためのデー タ 幅変換 も 実行 し ます。 AXI DMA では、 S2MM パ ス と MM2S パ ス に対す
る ス キ ャ ッ タ ー ギ ャ ザー オプシ ョ ンお よ びデー タ リ ア ラ イ メ ン ト エン ジ ンの両方が有効です。
AXI DMA の ス ト リ ー ミ ン グ イ ン タ ーフ ェ イ ス は、 AXI Ethernet IP に接続 さ れます。 AXI Ethernet IP
は、 フル チ ェ ッ ク サム オ フ ロ ー ド (CSO) を有効に し て深 さ が 32K の FIFO でジ ャ ン ボ フ レーム転送
をサポー ト し ます。
AXI Ethernet IP は GMII モー ド で有効にな り 、 I/O の自動取 り 込みは無効にな っ てい ます。 こ れが無効
にな っ てい る こ と に よ っ て I/O バ ッ フ ァ ーが取 り 込まれ る こ と がないため、別の IP が FPGA 内の GMII
ポー ト に接続可能です。 AXI Ethernet IP は、 こ の GMII イ ン タ ーフ ェ イ ス 経由で 1000BASE-X PHY
に接続 さ れます。
制御 イ ン タ ーフ ェ イ ス用に、 PS 内で汎用 AXI マ ス タ ー ポー ト が有効にな っ てい ます。 こ のポー ト は、
AXI DMA お よ び AXI Ethernet の各 IP コ アに接続 さ れます。 1000BASE-X PHY レ ジ ス タ へのア ク セ
ス には、 AXI Ethernet IP を介 し て提供 さ れ る MDIO イ ン タ ーフ ェ イ ス が使用 さ れます。
AXI DMA お よ び AXI Ethernet IP か ら の割 り 込みポー ト は、 PS 内の汎用割 り 込み コ ン ト ロ ー ラ ー
(GIC) に接続 さ れます。
注記 : 各 IP コ アの詳細は、 [参照 3]、 [参照 4]、 お よ び [参照 5] を参照 し て く だ さ い。
ソ フ ト ウ ェ ア デザイ ン
こ のセ ク シ ョ ンでは、 デザ イ ンの ソ フ ト ウ ェ アについて説明 し ます。
モ ノ リ シ ッ ク な Linux ド ラ イ バー コ ー ド に よ り 、 次に挙げ る 機能が簡単に実行で き ます。
•
PL イ ーサネ ッ ト MAC ア ク セ ス
•
AXI DMA 転送
•
1000BASE-X イ ン タ ーフ ェ イ ス の物理媒体の初期化
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6
デバイ ス ツ リ ーについて
Linux ド ラ イバー
図 5 に、 デザ イ ンの ソ フ ト ウ ェ ア アーキ テ ク チ ャ を示 し ます。 モ ノ リ シ ッ ク な Linux デバ イ ス ド ラ イ
バーが提供 さ れてい ます。
X-Ref Target - Figure 5
8VHU/HYHO
SURFGHY
/LQX[.HUQHO
6FKHGXOHU
SURFLQWHUIDFH
GHYLQWHUIDFH
6RIW,54
'R,54
(WKHUQHW'ULYHU
'ULYHU0RGXOH
5HFHLYH
2YHUIORZ
7UDQVPLW
2YHUIORZ
7UDQVPLW,65
5HFHLYH,65
7UDQVPLW7DVNOHW
5HFHLYH7DVNOHW
7UDQVPLW7RS+DOI
5HFHLYH7RS+DOI
7UDQVPLW
'0$
5HFHLYH
'0$
'0$$FFHVV
0,,3+<
*0,,3+<
+DUGZDUH
*,&,QWU&RQWUROOHU
(WKHUQHW7UDQVPLW
'0$&KDQQHO
(WKHUQHW'0$
ILQLVKGRQHKDOW
HUURUHYHQWV
0,,,QWHUIDFH
;BB
図 5 : PL イ ーサネ ッ ト の ド ラ イバー アーキテ ク チ ャ
ド ラ イ バーは次のセ ク シ ョ ンに分け ら れます (詳細は 「付録 C」 を参照)。
デバイ ス ツ リ ーに
ついて
•
初期化
•
MAC ド ラ イ バー フ ッ ク
•
PHY タ イ マー
•
割 り 込みサービ ス ルーチン
デバ イ ス ツ リ ーにはカーネルお よ び ド ラ イ バーの設定情報が含まれます。 こ れ ら の設定値は ロ ー ド 時に
ド ラ イ バーに よ っ て解析 さ れ、 デバ イ ス ツ リ ー内の定義に従っ てパ ラ メ ー タ ーが設定 さ れます。 Linux
ド ラ イ バーのデバ イ ス ツ リ ーは、 次のセ ク シ ョ ンで構成 さ れます。
•
PS イ ーサネ ッ ト MAC EMIO 独自のセ ク シ ョ ン : PS GEM1 セ ク シ ョ ン (PS MAC パ ラ メ ー タ ーを
含む)
•
PL イ ーサネ ッ ト 独自のセ ク シ ョ ン
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•
DMA セ ク シ ョ ン (AXI DMA パ ラ メ ー タ ーを含む)
•
イ ーサネ ッ ト セ ク シ ョ ン (AXI イ ーサネ ッ ト MAC パ ラ メ ー タ ーを含む)
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7
ハー ド ウ ェ ア要件
•
I2C セ ク シ ョ ン (Si5324 パ ラ メ ー タ ーを含む)。Si5324 デバ イ ス は、1000BASE-X PHY ト ラ ン シー
バーの基準 ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ーです。
ハー ド ウ ェ ア要件
デザ イ ンのテ ス ト には、 次の も のが必要です。
•
標準 PC (Linux OS 搭載 PC を推奨)
•
1000Mb/s 対応 イ ーサネ ッ ト ポー ト
•
Netperf ツール [参照 6]
•
テ ス ト 用 SFP-RJ45 ア ダプ タ ー モジ ュ ールを搭載 し た Zynq-7000 AP SoC ZC706 ボー ド
図 6 にボー ド のセ ッ ト ア ッ プ を示 し ま す。 ジ ャ ンパー J17 は、 SFP を介 し た伝送を有効にす る よ う に
設定 し て く だ さ い。 デザ イ ンは HP 378928-B21 Cisco Gigabit Ethernet RJ45 SFP Module を使用 し て
テ ス ト し ま し た。
X-Ref Target - Figure 6
;BB
図 6 : ボー ド のセ ッ ト ア ッ プ
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8
イ ーサネ ッ ト の性能
イ ーサネ ッ ト の
性能
こ のセ ク シ ョ ンでは、 デザ イ ンに関連す る イ ーサネ ッ ト の スループ ッ ト の概要を示 し ます。
さ ま ざ ま な層におけ る 各種 イ ーサネ ッ ト アプ リ ケーシ ョ ン の性能は、 ソ フ ト ウ ェ ア ド ラ イ バーお よ び
イ ーサネ ッ ト イ ン タ ーフ ェ イ ス の ス ループ ッ ト を下回 り ます。 こ れは、 ネ ッ ト ワ ー ク ス タ ッ ク 層に よ
り 、 多様なヘ ッ ダー と ト レー ラ ーが各パケ ッ ト に挿入 さ れ る ためです。 イ ーサネ ッ ト は ト ラ フ ィ ッ ク の
伝送媒体 と し て使用 さ れ ま す。 TCP/UDP な ど の多数のプ ロ ト コ ルは、 プ ロ ト コ ル独自のヘ ッ ダー / ト
レー ラ ー形式を イ ンプ リ メ ン ト し ます。
CPU ア フ ィ ニ テ ィ に関する考慮事項
マルチプ ロ セ ッ サ環境の CPU ア フ ィ ニテ ィ と は、特定のプ ロ セ ス を特定のプ ロ セ ッ サにバ イ ン ド (関連
付け る よ う 制御) す る OS ス ケ ジ ュ ー ラ ーの能力の こ と です。 OS ス ケ ジ ュ ー ラ ーは、 プ ロ セ ス を ス ケ
ジ ュ ー リ ン グす る 際に まずそれを最後に実行 し たプ ロ セ ッ サに対 し て試みます。 当該プ ロ セ ッ サが利用
で き ない場合、 そのプ ロ セ スは別のプ ロ セ ッ サで ス ケ ジ ュ ー リ ン グ さ れます。
あ る プ ロ セ ッ サにバ イ ン ド さ れたプ ロ セ スは、 常に同 じ プ ロ セ ッ サで ス ケ ジ ュ ー リ ン グ さ れます。 プ ロ
セ ス と プ ロ セ ッ サをバ イ ン ド す る 主な利点は、 プ ロ セ ス を別のプ ロ セ ッ サで ス ケ ジ ュ ー リ ン グす る たび
に必要 と な る キ ャ ッ シ ュ の無効化操作が不要にな る ため、 最適な キ ャ ッ シ ュ 性能が得 ら れ る こ と です。
プ ロ セ ス の CPU ア フ ィ ニテ ィ は、 Linux の taskset プ ロ グ ラ ムで変更で き ます。 こ のアプ リ ケーシ ョ ン
ノ ー ト に掲載 さ れたすべてのベンチマー ク 結果は、taskset を使用 し て netserver ま たは netperf を CPU2
にバ イ ン ド し てい ます。 こ の例では、 netserver お よ び netperf をバ イ ン ド す る こ と で、 性能が大幅に向
上 し ま ていす。
zynq>
taskset 2 ./netserver_arm
zynq> taskset 2 ./netperf_arm –H <peer IP address>
すべての結果は、 Zynq-7000 AP SoC 上で netserver を実行 し 、 ピ ア ネ ッ ト ワー ク コ ン ピ ュ ー タ ー上で
TCP_STREAM
テ ス ト を、 ア ウ ト バ ウ ン ド 性能 の 測定 に は
の イ ン バ ウ ン ド 性 能 の 測定 に
TCP_MAERTS テ ス ト を使用 し て得 ら れた も のです。
注記 : netperf アプ リ ケーシ ョ ンは ARM Linux 用に コ ンパ イ ル し ま し た。
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イ ーサネ ッ ト の性能
テ ス ト 手法
イ ーサネ ッ ト の性能の測定には、 テ ス ト ベンチ と し て Netperf v2.6 [参照 6] を使用 し ます。 Netperf は
TCP/IP ス タ ッ ク 上で実行 さ れ る デー タ 転送アプ リ ケーシ ョ ンであ り 、 ク ラ イ ア ン ト /サーバー モデル上
で動作 し ます。
EMIO を介 し た PS イ ーサネ ッ ト : スループ ッ ト の観察
図 7 に CSO の設定 と ス ループ ッ ト の変化を示 し ます。 CSO を有効にす る と 、 CPU の負荷が軽減 さ れ
てその他の処理性能が向上 し ます。
PS GEM 用に提供 さ れ る ド ラ イ バーは、 デフ ォ ル ト で CSO をサポー ト し ます。
注記 : RGMII ～ MIO を使用す る GEM0 と 1000BASE-X ～ EMIO を使用す る GEM1 の性能は同 じ で
す。 こ れは MAC ハー ド ウ ェ ア と ド ラ イ バーが同 じ で、 相違点は PHY の初期化に限 ら れ る ためです。
X-Ref Target - Figure 7
;BB
図 7 : PS GEM スループ ッ ト の観察
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イ ーサネ ッ ト の性能
図 8 に CSO に よ る CPU 使用率の向上を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 8
;BB
図 8 : PS-GEM の CPU 使用率に対する CSO の影響
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イ ーサネ ッ ト の性能
PL イ ーサネ ッ ト : スループ ッ ト の観察
図 9 に、 CSO を有効ま たは無効に し た状態で測定 し た ス ループ ッ ト のグ ラ フ を示 し ま す。 チ ェ ッ ク サ
ム計算をハー ド ウ ェ アにオ フ ロ ー ド す る と 、CPU の負荷が軽減 さ れて よ り 多 く のパケ ッ ト を処理で き る
ため、 ス ループ ッ ト が向上 し ます。 CSO の有効 と 無効は、 デバ イ ス ツ リ ーの ド ラ イ バーに よ っ て決定
さ れます ( 「付録 B」 を参照)。
X-Ref Target - Figure 9
;BB
図 9 : PL イ ーサネ ッ ト のスループ ッ ト に対する チ ェ ッ クサム オ フ ロー ド の影響
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イ ーサネ ッ ト の性能
図 10 に CSO に よ る CPU 使用率の向上を示 し ます。 チ ェ ッ ク サム計算には、 CPU サ イ ク ルの面で コ ス
ト がかか る バ イ ト 演算が含まれます。 チ ェ ッ ク サム計算をハー ド ウ ェ アにオ フ ロ ー ド す る と 、 CPU サ イ
ク ル面での負荷が軽減 さ れます。
X-Ref Target - Figure 10
;BB
図 10 : PL イ ーサネ ッ ト の CPU 使用率に対する チ ェ ッ ク サム オ フ ロー ド の影響
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ま とめ
ジ ャ ンボ フ レームの性能
AXI Ethernet IP はジ ャ ン ボ フ レーム をサポー ト し ます。 ジ ャ ン ボ フ レームは、 1514 バ イ ト よ り 大 き い
イ ーサネ ッ ト フ レーム と し て定義 さ れます。
MTU (Maximum Transmission Unit) は、 1 つのプ ロ ト コ ル パケ ッ ト で伝送で き る デー タ の最大量です。
図 11 に MTU の設定 と スループ ッ ト の変化を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 11
;BB
図 11 : PL イ ーサネ ッ ト のジ ャ ンボ フ レームの性能
こ の例は、ifconfig ユーテ ィ リ テ ィ を使用 し て MTU の値を変更する 方法を示 し てい ます。こ こ での イ ー
サネ ッ ト イ ン タ ーフ ェ イ ス は eth1 です。
zynq> ifconfig eth1 down
zynq> ifconfig eth1 mtu <2048|4096>
zynq> ifconfig eth1 up <IP address>
ま とめ
こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト では、EMIO を介 し て PS イ ーサネ ッ ト を イ ンプ リ メ ン ト し 、PL 内の PHY
お よ び イ ーサネ ッ ト イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン と 組み合わせて、 複数の イ ーサネ ッ ト リ ン ク と ジ ャ ン ボ
フ レーム をサポー ト す る デザ イ ンについて説明 し ま し た。 こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト には、 デザ イ ン
性能のベンチマー ク 結果が含まれてい ます。
テ ス ト 結果は、 パケ ッ ト サ イ ズが大 き いほ ど ス ループ ッ ト が向上す る 傾向があ り 、 CSO が ス ループ ッ
ト と CPU 使用率の両方に影響を与え る こ と を示 し てい ます。
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リ フ ァ レ ン ス デザイ ン
リ フ ァ レンス
デザイ ン
こ のアプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト の リ フ ァ レ ン ス デザ イ ンは、 次のサ イ ト か ら ダ ウ ン ロ ー ド で き ます。
https://secure.xilinx.com/webreg/clickthrough.do?cid=203511
readme フ ァ イ ルの指示に従っ て、 ハー ド ウ ェ ア と ソ フ ト ウ ェ ア コ ー ド を作成 し ます。
表 1 に、 リ フ ァ レ ン ス デザ イ ンの詳細を示 し ます。
表 1 : リ フ ァ レ ン ス デザイ ンの詳細
パラ メ ー タ ー
説明
全般
開発元
ザイ リ ン ク ス
タ ーゲ ッ ト デバ イ ス ( ス テ ッ ピ ン グ レベル、
ES、 プ ロ ダ ク シ ョ ン、 ス ピー ド グ レー ド )
Zynq-7000 AP SoC
ソ ース コ ー ド の提供
あり
ソ ース コ ー ド の形式
Verilog、 C
既存のザ イ リ ン ク ス アプ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト /
リ フ ァ レ ン ス デザ イ ン、 CORE Generator™
ツール、 サー ド パーテ ィ か ら デザ イ ンへの コ ー
ド /IP の使用
あり
シ ミ ュ レーシ ョ ン
論理シ ミ ュ レーシ ョ ンの実施
なし
タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンの実施
なし
論理お よ び タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンでのテ
ス ト ベンチの利用
なし
テ ス ト ベンチの形式
なし
使用 し た シ ミ ュ レー タ バージ ョ ン
なし
SPICE/IBIS シ ミ ュ レーシ ョ ンの実施
なし
イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン
使用 し た合成ツール/バージ ョ ン
ISE® 14.4
使用 し た イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツール/バー
ジョン
PlanAhead™ 14.4
ス タ テ ィ ッ ク タ イ ミ ン グ解析の実施
なし
ハー ド ウ ェ ア検証
ハー ド ウ ェ ア検証の実施
あり
検証に使用 し たハー ド ウ ェ ア プ ラ ッ ト フ ォーム
ZC706 ボー ド
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付録 A
付録 A
PS EMIO イ ーサネ ッ ト のデバイ ス ツ リ ー
こ こ では、 PS EMIO イ ーサネ ッ ト と 、 ZC706 ボー ド 上の Si5324 ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ー デバ イ ス用
I2C について、 Linux ド ラ イ バー デバ イ ス ツ リ ーの詳細を示 し ます。
PS EMIO イ ーサネ ッ ト
ps7_ethernet_1: ps7-ethernet1@e000c000 {
local-mac-address = [ 00 0a 35 00 00 20 ];
compatible = "xlnx,ps7-ethernet-emio-1.00.a";
reg = <0xe000c000 0x1000>;
interrupts = <0 45 4>;
interrupt-parent = <&gic>;
phy-handle = <&phy1>;
xlnx,ptp-enet-clock = <133000000>;
xlnx,slcr-div0-1000Mbps = <8>;
xlnx,slcr-div0-100Mbps = <8>;
xlnx,slcr-div0-10Mbps = <8>;
xlnx,slcr-div1-1000Mbps = <1>;
xlnx,slcr-div1-100Mbps = <5>;
xlnx,slcr-div1-10Mbps = <50>;
#address-cells = <0x1>;
#size-cells = <0x0>;
mdio {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
phy1: phy@6 {
compatible = "vitesse,v82111";
device_type = "ethernet-phy";
reg = <6>;
};
};
};
Si5324 用 I2C
i2c@4 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
reg = <4>;
rtc@54 {
compatible = "nxp,pcf8563";
reg = <0x51>;
};
si5324@68 {
compatible = "si5324";
reg = <0x68>;
};
};
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付録 B
付録 B
PL イ ーサネ ッ ト のデバイ ス ツ リ ー
こ こ では、 AXI DMA、 AXI Ethernet、 お よ び ZC706 ボー ド 上の Si5324 ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ー デ
バ イ ス用 I2C について、 Linux ド ラ イ バー デバ イ ス ツ リ ーの詳細を示 し ます。
AXI DMA
axi_dma_0: axi-dma@40400000 {
axistream-connected = <&axi_ethernet_0>;
compatible = "xlnx,axi-dma-6.03.a",
"xlnx,axi-dma-1.00.a";
interrupt-parent = <&gic>;
interrupts = < 0 59 4 0 58 4 >;
reg = < 0x40400000 0x10000 >;
xlnx,dlytmr-resolution = <0x7d>;
xlnx,enable-multi-channel = <0x0>;
xlnx,family = "zynq";
xlnx,generic = <0x0>;
xlnx,include-mm2s = <0x1>;
xlnx,include-mm2s-dre = <0x1>;
xlnx,include-mm2s-sf = <0x1>;
xlnx,include-s2mm = <0x1>;
xlnx,include-s2mm-dre = <0x1>;
xlnx,include-s2mm-sf = <0x1>;
xlnx,include-sg = <0x1>;
xlnx,instance = "axi_dma_0";
xlnx,mm2s-burst-size = <0x100>;
xlnx,num-mm2s-channels = <0x1>;
xlnx,num-s2mm-channels = <0x1>;
xlnx,prmry-is-aclk-async = <0x1>;
xlnx,s2mm-burst-size = <0x100>;
xlnx,sg-include-desc-queue = <0x1>;
xlnx,sg-include-stscntrl-strm = <0x1>;
xlnx,sg-length-width = <0xe>;
xlnx,sg-use-stsapp-length = <0x1>;
} ;
AXI Ethernet
axi_ethernet_0: axi-ethernet@40440000 {
axistream-connected = <&axi_dma_0>;
clock-frequency = <76923080>;
compatible = "xlnx,axi-ethernet-3.01.a",
"xlnx,axi-ethernet-1.00.a";
device_type = "network";
interrupt-parent = <&gic>;
interrupts = < 0 57 4 >;
local-mac-address = [ 00 0a 35 01 02 03 ];
phy-handle = <&phy1>;
reg = < 0x40440000 0x40000 >;
xlnx,avb = <0x0>;
xlnx,halfdup = <0x0>;
xlnx,include-io = <0x0>;
xlnx,mcast-extend = <0x0>;
xlnx,phy-type = <5>;
xlnx,phyaddr = <0x3>;
xlnx,rxcsum = <0x0>;
xlnx,rxmem = <0x8000>;
xlnx,temac-type = <5>;
xlnx,rxvlan-strp = <0x0>;
xlnx,rxvlan-tag = <0x0>;
xlnx,rxvlan-tran = <0x0>;
xlnx,stats = <0x1>;
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付録 C
xlnx,txcsum = <0x0>;
xlnx,txmem = <0x8000>;
xlnx,txvlan-strp = <0x0>;
xlnx,txvlan-tag = <0x0>;
xlnx,txvlan-tran = <0x0>;
xlnx,type = <0x1>;
mdio {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
phy1: phy@3 {
compatible = "marvell,88e1111";
device_type = "ethernet-phy";
reg = <3>;
} ;
} ;
} ;
Si5324 用 I2C
i2c@4 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
reg = <4>;
rtc@54 {
compatible = "nxp,pcf8563";
reg = <0x51>;
};
si5324@68 {
compatible = "si5324";
reg = <0x68>;
};
};
付録 C
PL イ ーサネ ッ ト の Linux デバイ ス ド ラ イバー
こ こ では、 PL イ ーサネ ッ ト の Linux ド ラ イ バーについて説明 し ます。
初期化
(insmod ツールを使用し て ) ド ラ イ バーがカーネルに挿入 さ れ る と 、次の関数がエン ト リ 関数にな り ます。
static int __init axienet_init(void)
{
platform_driver_register(&axienet_of_driver);
}
こ の関数は、 次の関数を起動 し ます。
static int __devinit axienet_of_probe(struct platform_device *op)
こ のプ ロ ーブ関数が実際の初期化関数であ り 、 次の タ ス ク を実行 し ます。
•
イ ーサネ ッ ト ド ラ イ バー構造 alloc_etherdev() を作成する 。
•
イ ーサネ ッ ト ド ラ イ バー構造を セ ッ ト ア ッ プす る 。
•
物理デバ イ ス レ ジ ス タ ア ド レ ス空間を、 カーネル ア ド レ ス空間 of_iomap() にマ ッ ピ ン グする 。
•
デバ イ ス構造か ら ド ラ イ バー コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン プ ロ パテ ィ を読み出 し 、 それに従っ て ド ラ
イ バー フ ラ グ を セ ッ ト す る 。 処理 さ れ る プ ロ パテ ィ は次の と お り です。
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•
TX CSO : xlnx、 txcsum
•
RX CSO : xlnx、 rxcsum
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付録 C
•
RX メ モ リ : xlnx、 rxmem
•
MAC タ イ プ : xlnx、 temac-type
•
PHY タ イ プ : xlnx、 phy-type
•
DMA ノ ー ド : axistrea-connected
•
MAC ア ド レ ス : local-mac-address
•
D99MA レ ジ ス タ ア ド レ ス空間 (物理) を、 カーネル ア ド レ ス空間 of_iomap() にマ ッ ピ ン グす る 。
•
TX IRQ お よ び RX IRQ 数を取得す る 。
•
MAC ア ド レ ス を設定する 。
•
MDIO を セ ッ ト ア ッ プす る 。
•
タ ス ク レ ッ ト を セ ッ ト ア ッ プす る 。
MAC ド ラ イバー フ ッ ク
MAC ド ラ イ バーは、 上位層 と の イ ン タ ーフ ェ イ ス用の次のハン ド ルをサポー ト し ます。
•
Open : こ れは ド ラ イ バー オープン ルーチンです。 こ のルーチンは、 PHY を起動 し て ISR を割 り
当 て、 割 り 込 み と ISR の 処理 を イ ネ ー ブ ル に し ま す。 ま た、 AXI_DMA コ ア を リ セ ッ ト し 、
AXI_DMA コ ア のバ ッ フ ァ ー記述子 を 初期化 し ま す。 さ ら に、 ネ ッ ト ワ ー ク イ ン タ ー フ ェ イ ス
キ ュ ー と 、 ポー リ ン グ ルーチン用の PHY タ イ マーを開始 し ます。
•
Stop : こ れは ド ラ イ バー ス ト ッ プ ルーチンです。 こ のルーチンは、 PHY を停止 し て割 り 込みハン
ド ラ ーを削除 し 、 割 り 込みを無効に し ます。 AXI_DMA (RX お よ び TX) を停止 し 、 記述子を解放
し ます。 さ ら に、 DMA タ ス ク レ ッ ト を無効に し 、 ネ ッ ト ワ ー ク イ ン タ ーフ ェ イ ス キ ュ ーを停止 し
て PHY タ イ マーを削除 し ます。
•
Start_xmit : こ のルーチンは上位層か ら 起動 さ れ、 パケ ッ ト の送信を開始 し ます。 ま た、 DMA 転送
の開始に よ り 、 次の利用可能な記述子を取 り 出 し て記述子の フ ィ ール ド に値を与え、 パケ ッ ト の送
信を開始 し ます。 ま た、 送信 CSO の設定を考慮に入れ、 それに従っ て送信記述子のユーザー アプ
リ ケーシ ョ ン フ ィ ール ド に値を与え ます。
•
Change_mtu : こ の フ ッ ク は、 MTU のサ イ ズ を動的に変更する 際に呼び出 さ れます。 ま た、 ジ ャ ン
ボ フ レームのサポー ト に使用 さ れます。
•
Set_mac_address : こ の関数は、 イ ーサネ ッ ト コ アの MAC ア ド レ ス を変更 し ます。
PHY タ イ マー
こ の ド ラ イ バー アーキ テ ク チ ャ は、 1000BASE-X PHY の管理に phylib ではな く タ イ マー ベー ス の
PHY ポー リ ン グ を使用 し ま す。 PHY タ イ マーは、 1 チ ッ ク お き にハ ン ド ルを起動す る シ ス テ ム タ イ
マーです。 PHY タ イ マーのハン ド ル poll_gmii は、 次の 2 つの目的に役立ち ます。
•
イ ーサネ ッ ト MAC の二重設定 と PHY 設定の同期を維持する 。
•
リ ン ク の状態に よ っ てシ ス テ ム を更新す る 。
こ のルーチンは、 PHY レ ジ ス タ にア ク セ ス し て二重 と リ ン ク の現在の ス テー タ ス を取得 し ます。 リ ン ク
ダ ウ ン を検出す る と 、 ただちに イ ン タ ーフ ェ イ ス を停止 し ます。 リ ン ク が再開 さ れ る と 、 イ ン タ ーフ ェ
イ ス を起動 し ます。
割 り 込みサービ ス ルーチ ン
こ の Linux ド ラ イ バーは、 次の 2 つの割 り 込みサービ ス ルーチン (ISR) を備え てい ます。
•
XAPP1082 (v1.0) 2013 年 4 月 9 日
受信 ISR : こ の ISR は、 AXI DMA 受信割 り 込みを処理 し ます。 RX ス テー タ ス を確認 し て、 それ
が OK の場合は受信記述子を処理 し 、 次の処理のために イ ン タ ーフ ェ イ ス に渡 し ます。
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参考資料
•
送信 ISR : こ の ISR は、 AXI DMA 送信割 り 込みを処理 し ます。 TX ス テー タ ス をチ ェ ッ ク し て、
それが OK の場合は送信記述子を ク リ ア し 、 CPU がバ ッ フ ァ ーの所有権を取 り 戻せ る よ う に対応
す る バ ッ フ ァ ーを ア ン マ ッ プ し ます。 最後に、 送信を再開で き る よ う に イ ン タ ーフ ェ イ ス キ ュ ーを
ウ ェー ク ア ッ プ し ます。
エ ラ ー ス テー タ ス の場合、 ISR は、 DMA お よ び イ ーサネ ッ ト サービ ス を リ セ ッ ト す る よ う に タ ス ク
レ ッ ト を ス ケ ジ ュ ー リ ン グ し 、 すべての送信記述子 と 受信記述子を再設定 し ます。
参考資料
こ の文書では、 次の参考資料を使用 し てい ます。
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
改訂履歴
Si5324 デー タ シー ト 、 www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si5324.pdf
『Zynq 7000 All Programmable SoC テ ク ニ カル リ フ ァ レ ン ス マニ ュ アル』 (UG585)
『LogiCORE IP Ethernet 1000BASE-X PCS/PMA ま たは SGMII v11.5』 (PG047)
『LogiCORE IP AXI DMA v6.03a』 (PG021)
『LogiCORE IP AXI Ethernet v3.01a』 (DS759)
Netperf、 www.netperf.org
『Zynq-7000 AP SoC XC7Z045 All Programmable SoC 用 ZC706 評価ボー ド ユーザー ガ イ ド 』
(UG954)
『7 シ リ ーズ FPGA GTX/GTH ト ラ ン シーバー ユーザー ガ イ ド 』 (UG476)
次の表に、 こ の文書の改訂履歴を示 し ます。
日付
バージ ョ ン
2013 年 4月 9 日
1.0
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内容
初版
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Notice of
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ご了承 く だ さ い。
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