基于PCIe3.0X16的的100G光纤采集存储设备

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1. 设备概述

基于VU3PFPGA板卡100Gbps光纤收发采集存储设备，是高性能、光纤数据采集与存储一体化解决方案。

本设备是一款专为超高速、大容量数据采集与存储需求设计的高端硬件平台，以 1路100Gbps全双工光纤通信为核心，结合高性能主板、PCIE 3.0 X16高速总线架构 和 NVMe RAID存储系统，实现100Gbps光纤数据的接收、发送、处理与持久化存储，PCIe峰值带宽达 8GB/s以上。适用于科研实验、工业检测、医疗影像、军事通信等高带宽场景。

2. 主要硬件内容

1. 主板与计算单元

主板型号：X12spa-TF（超微服务器级主板）

CPU型号：Intel Xeon W-3335

①　10核20线程，主频3.4GHz（睿频4.0GHz），24.75MB缓存

②　支持 PCIe 4.0通道（向下兼容3.0），提供 64条通道数，充分释放多设备并行性能

③　最大内存支持 1TB DDR4 ECC RDIMM，保障数据处理稳定性

2. 高速光纤采集卡

型号：太速科技628 PCIe 3.0 ×16 采集卡

核心能力：

①　2路QSFP28光纤接口，支持 100Gbps/路 全双工传输

②　符合 PCIE 3.0 ×16接口标准，无瓶颈支持8GB/s持续吞吐

③　硬件级数据预处理（如时间戳标记、帧校验），降低CPU负载

3. 超高速存储系统

RAID卡：SSD7505（支持PCIe 4.0 ×16）

①　支持 RAID 0/1/5/10，提供数据冗余或极致速度模式

②　最大支持 4×NVMe SSD 直连，理论带宽 32GB/s（PCIe 4.0 ×16）

存储介质：三星990 Pro NVMe M.2 SSD ×4

①　单盘性能：读取7,450MB/s，写入6,900MB/s（1TB/2TB版本）

②　总存储容量：4TB/8TB可选（4×1TB/4×2TB）

③　RAID 0模式下，理论存储速度突破 20GB/s，轻松匹配采集带宽

3. 整机性能优势

一、全双工光纤数据吞吐

1路QSFP28光纤通道，支持同时收发，单路100Gbps

二、无瓶颈数据传输

PCIe 3.0 ×16总线,确保8GB/s以上持续传输稳定性

三、存储速度匹配采集

RAID 0模式下，4×990 Pro SSD持续写入速度达 12GB/s+，远超采集带宽需求

4. 软件架构与功能详解

在硬件高性能基础上，本设备配备自主研发的上位机控制软件及底层驱动，形成 “硬件加速+软件智能” 的完整解决方案。软件系统基于 Qt 5.15框架（C++开发）与 Visual Studio 2015 环境构建，支持跨平台部署（Windows/Linux），核心功能覆盖设备控制、状态监控、数据管理全流程。

软件系统分层设计

1. 驱动与通信层

XDMA引擎：

①　基于 Xilinx XDMA IP核 实现FPGA与上位机的PCIE 3.0 ×16高速通信

②　支持 DMA零拷贝传输，双向传输带宽稳定维持 8GB/s以上

③　提供 独立DMA队列，确保光纤数据并行无冲突

FPGA交互协议：

④　自定义 指令-数据分离协议，通过PCIE BAR空间映射控制寄存器

⑤　支持光纤通道启停、数据包长度配置、触发模式设置等实时控制

2. 上位机核心功能模块

一、设备自检与初始化

①　开机自动扫描硬件（主板、采集卡、RAID卡、SSD）状态

②　检测FPGA固件版本兼容性

二、光纤链路管理

①　实时监测1路QSFP28光模块 的链路状态（光功率、误码率、连接状态）

②　异常告警（界面弹窗+日志记录），支持自动重连与通道切换

三、存储管理

①　RAID模式切换（需重启生效）、SSD健康度监测（SMART信息解析）

②　数据存储路径自定义，支持循环覆盖存储与按时间分片存储

3. 跨平台支持

Windows/Linux双版本

Windows版：基于 WinDriver PCIe驱动/XDMA，兼容Win7/10/11（64位）

Linux版：采用 内核态Char驱动，支持Ubuntu 16.04+/CentOS 7.6+

5. 详细硬件组成5.1. 超威X12SPA服务器

超威服务器X12SPA提供4个PCIE4.0 X16槽位，其中三个X16可以通过芯片PI3DBS16412配置成两个X8，所以服务器主板可提供6个4.0X8槽位以及一个4.0 X16槽位，剩余槽位可有用户自由搭配。

5.2. 628光纤采集卡

• VU3P外挂两簇DDR4，数据位宽64-bit，每组容量2GByte，可稳定运行在2400MT/s；
• VU3P外挂一片BPI x16 NorFlash，容量1Gb，用于系统配置程序存储；
• VU3P加载模式为BPI模式；
• VU3P外接两路QSFP28，支持100Gbps传输速率；
• VU3P支持PCIE Gen3 x16模式，传输速率最高可达8000Mbyte/s。
  

5.3. 磁盘阵列卡

磁盘阵列卡是由HighPoint SSD7505 带4块三星990pro的NVME固态盘组成。

火箭 SSD7000系列M.2 RAID AIC卡提供PCIe Gen3/Gen4、2口/4口/8口配置的RAID解决方案，支持任何行业标准的M.2 NVMe SSD。火箭SSD7505是4端口NVMe存储解决方案。单个控制器可以提供高达28000MB/s的传输速度。

三星990proNVME硬盘优点:

1、极致读写性能：顺序读取速度高达7450 MB/s，写入速度达6900 MB/s，接近PCIe 4.0的理论带宽极限

2、智能技术与缓存优化：TurboWrite 2.0技术：动态SLC缓冲区容量大幅提升，2TB版本的智能缓存空间达226GB，显著增强大文件连续写入的稳定性。主控芯片根据使用习惯优化数据存储位置，提升高频数据访问效率，同时延长寿命。

3、与阵列卡适配较好

使用此配置阵列卡，极致的读写性能可以保证采集卡5GB/s落盘速度外，还可以保证用户其他一些使用不受影响，满足客户其他使用需求。

6. 软件具体实现及接口信息6.1. aurora接口协议

协议：aurora 64B66B

线速率：25Gbps

Lane:4

模式：全双工、流模式

6.2. FPGA实现框架

FPGA开发工具：Vivado 2018.3

PC通过寄存器控制FPGA软件进行光纤的采集与发送工作,软件可动态配置光纤发送数据、光纤接收数据的DDR空间。

PC与FPGA的PCIE接口采样XDMA MM模式，把DDR空间挂载在PCIE上，打开PC访问DDR空间的通道。

采集流程：上位机发送采集指令，FPGA开始采集数据，把采集数据放入fifo，再把fifo的数据写入DDR中，之后通知上位机拿走数据。

发送流程：上位机把数据写入DDR中，通知FPGA拿走数据，写入fifo中，把数据通过光纤口发送出去。

6.3. 上位机软件

软件系统基于 Qt 5.15框架（C++开发）与 Visual Studio 2015 环境构建，支持跨平台部署（Windows/Linux）。

软件启动查询自检：

1、检查硬盘挂载、硬盘使用过量、初始化状态、配置文件等

2、扫描板卡硬件状态，光纤链接状态等信息

7. 固件高速读写方案

特性	XDMA (PCIe 3.0 x16)	QDMA (PCIe 3.0 x16)
报告速率 (C2H)​	约 8000 MB/s	约 1660 MB/s(单通道) * 8
报告速率 (H2C)​	约 8200 MB/s	约 1670 MB/s(单通道) * 8
理论带宽​​	约 15.75 GB/s	约 15.75 GB/s
DMA映射方式​​	流式DMA映射	一致性DMA映射
队列/通道机制​​	少量专用DMA通道	多达2048个队列，资源共享
适用场景	对并发性要求不高的传统应用	高吞吐、多任务、低延迟的现代应用

7.1. XDMA 有效读写速度

PCIE速率	读	写
3.0 X16	8000MB/s	8200MB/s
3.0 X8	5600MB/s	5200MB/s
2.0 X8	2700MB/s	2500MB/s
3.0 X4	2800MB/s	2600MB/s
2.0 X4	1400MB/s	1400MB/s

7.2. QDMA有效读写速度

PCIE速率	读	写
3.0 X16	13280MB/s	13360MB/s

PCIe 3.0 x16 C2H DMA速率

	DMA0	DMA1	DMA2	DMA3	DMA4	DMA5	DMA6	DMA7
速率	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s	1660MB/s

PCIe 3.0 x16 H2C DMA速率

	DMA0	DMA1	DMA2	DMA3	DMA4	DMA5	DMA6	DMA7
速率	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s	1670MB/s

PCIe 3.0 x8 C2H DMA速率

	DMA0	DMA1	DMA2	DMA3	DMA4	DMA5	DMA6	DMA7
速率	880MB/s	880MB/s	880MB/s	880MB/s	880MB/s	880MB/s	880MB/s	880MB/s

PCIe 3.0 x8 H2C DMA速率

	DMA0	DMA1	DMA2	DMA3	DMA4	DMA5	DMA6	DMA7
速率	890MB/s	890MB/s	890MB/s	890MB/s	890MB/s	890MB/s	890MB/s	890MB/s

可采用QDMA框架进行固件升级。

缓存管理策略：这是影响性能的关键因素之一。XDMA 采用流式DMA映射，每次数据传输前后都需要由CPU执行缓存失效或清除操作以确保数据一致性，这会带来额外的开销。而 QDMA 采用一致性DMA映射，由硬件自动维护缓存一致性，大大减少了CPU的干预，从而降低了延迟和CPU占用。

队列架构与并发能力：XDMA 提供数量固定的专用DMA通道（例如4个主机到卡和4个卡到主机通道），当多个任务同时进行时，可能因争用通道而影响效率。QDMA 则支持多达2048个队列，这些队列共享DMA引擎资源，能更好地处理大量并发数据传输请求，特别适合虚拟化或多应用场景

8. 技术规格一览表

组件	型号/参数	性能指标
主板	超微X12spa-TF	支持Xeon W-3300系列，8×DDR4插槽
CPU	Xeon W-3335	10C/20T, 3.4-4.0GHz
采集卡	太速628 PCIe 3.0 ×16	2×100Gbps，硬件预处理
RAID卡	SSD7505	PCIe 4.0 ×8，4×NVMe接口
存储	三星990 Pro ×4（M.2 NVMe）	RAID 0下持续写入≥10GB/s
系统带宽	PCIe+存储	采集8GB/s，存储10GB/s

9. 应用场景

①　工业检测：半导体晶圆检测、高速生产线视觉数据实时存储

②　科研领域：粒子对撞实验数据采集、射电天文信号记录

③　医疗影像：超高清CT/MRI影像实时处理与归档

④　军事通信：多通道雷达信号同步采集与加密存储

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