1.設備概述

基于VU3PFPGA板卡100Gbps光纖收發采集存儲設備，是高性能、光纖數據采集與存儲一體化解決方案。 本設備是一款專為超高速、大容量數據采集與存儲需求設計的高端硬件平臺，以 1路100Gbps全雙工光纖通信為核心，結合高性能主板、PCIE 3.0 X16高速總線架構 和 NVMe RAID存儲系統，實現100Gbps光纖數據的接收、發送、處理與持久化存儲，PCIe峰值帶寬達 8GB/s以上。適用于科研實驗、工業檢測、醫療影像、軍事通信等高帶寬場景。

2.主要硬件內容

1. 主板與計算單元

主板型號：X12spa-TF（超微服務器級主板）

CPU型號：Intel Xeon W-3335

①10核20線程，主頻3.4GHz（睿頻4.0GHz），24.75MB緩存

②支持 PCIe 4.0通道（向下兼容3.0），提供 64條通道數，充分釋放多設備并行性能

③最大內存支持 1TB DDR4 ECC RDIMM，保障數據處理穩定性

2. 高速光纖采集卡

型號：太速科技628 PCIe 3.0 ×16 采集卡

核心能力：

①2路QSFP28光纖接口，支持 100Gbps/路 全雙工傳輸

②符合 PCIE 3.0 ×16接口標準，無瓶頸支持8GB/s持續吞吐

③硬件級數據預處理（如時間戳標記、幀校驗），降低CPU負載

3. 超高速存儲系統

RAID卡：SSD7505（支持PCIe 4.0 ×16）

①支持 RAID 0/1/5/10，提供數據冗余或極致速度模式

②最大支持 4×NVMe SSD 直連，理論帶寬 32GB/s（PCIe 4.0 ×16）

存儲介質：三星990 Pro NVMe M.2 SSD ×4

①單盤性能：讀取7,450MB/s，寫入6,900MB/s（1TB/2TB版本）

②總存儲容量：4TB/8TB可選（4×1TB/4×2TB）

③RAID 0模式下，理論存儲速度突破 20GB/s，輕松匹配采集帶寬

3.整機性能優勢

一、全雙工光纖數據吞吐

1路QSFP28光纖通道，支持同時收發，單路100Gbps

二、無瓶頸數據傳輸

PCIe 3.0 ×16總線,確保8GB/s以上持續傳輸穩定性

三、存儲速度匹配采集

RAID 0模式下，4×990 Pro SSD持續寫入速度達 12GB/s+，遠超采集帶寬需求

4.軟件架構與功能詳解

在硬件高性能基礎上，本設備配備自主研發的上位機控制軟件及底層驅動，形成 “硬件加速+軟件智能” 的完整解決方案。軟件系統基于 Qt 5.15框架（C++開發）與 Visual Studio 2015 環境構建，支持跨平臺部署（Windows/Linux），核心功能覆蓋設備控制、狀態監控、數據管理全流程。

軟件系統分層設計

1. 驅動與通信層

XDMA引擎：

①基于 Xilinx XDMA IP核 實現FPGA與上位機的PCIE 3.0 ×16高速通信

②支持 DMA零拷貝傳輸，雙向傳輸帶寬穩定維持 8GB/s以上

③提供 獨立DMA隊列，確保光纖數據并行無沖突

FPGA交互協議：

④自定義 指令-數據分離協議，通過PCIE BAR空間映射控制寄存器

⑤支持光纖通道啟停、數據包長度配置、觸發模式設置等實時控制

2. 上位機核心功能模塊

一、設備自檢與初始化

①開機自動掃描硬件（主板、采集卡、RAID卡、SSD）狀態

②檢測FPGA固件版本兼容性

二、光纖鏈路管理

①實時監測1路QSFP28光模塊 的鏈路狀態（光功率、誤碼率、連接狀態）

②異常告警（界面彈窗+日志記錄），支持自動重連與通道切換

三、存儲管理

①RAID模式切換（需重啟生效）、SSD健康度監測（SMART信息解析）

②數據存儲路徑自定義，支持循環覆蓋存儲與按時間分片存儲

3. 跨平臺支持

Windows/Linux雙版本

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

Linux版：采用 內核態Char驅動，支持Ubuntu 16.04+/CentOS 7.6+

5.詳細硬件組成

5.1.超威X12SPA服務器

超威服務器X12SPA提供4個PCIE4.0 X16槽位，其中三個X16可以通過芯片PI3DBS16412配置成兩個X8，所以服務器主板可提供6個4.0X8槽位以及一個4.0 X16槽位，剩余槽位可有用戶自由搭配。

5.1.超威X12SPA服務器

5.2.628光纖采集卡

VU3P外掛兩簇DDR4，數據位寬64-bit，每組容量2GByte，可穩定運行在2400MT/s；

VU3P外掛一片BPI x16 NorFlash，容量1Gb，用于系統配置程序存儲；

VU3P加載模式為BPI模式；

VU3P外接兩路QSFP28，支持100Gbps傳輸速率；

VU3P支持PCIE Gen3 x16模式，傳輸速率最高可達8000Mbyte/s。

5.3.磁盤陣列卡

磁盤陣列卡是由HighPoint SSD7505 帶4塊三星990pro的NVME固態盤組成。

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解決方案，支持任何行業標準的M.2 NVMe SSD。火箭SSD7505是4端口NVMe存儲解決方案。單個控制器可以提供高達28000MB/s的傳輸速度。

三星990proNVME硬盤優點:

1、極致讀寫性能：順序讀取速度高達7450 MB/s，寫入速度達6900 MB/s，接近PCIe 4.0的理論帶寬極限

2、智能技術與緩存優化：TurboWrite 2.0技術：動態SLC緩沖區容量大幅提升，2TB版本的智能緩存空間達226GB，顯著增強大文件連續寫入的穩定性。主控芯片根據使用習慣優化數據存儲位置，提升高頻數據訪問效率，同時延長壽命。

3、與陣列卡適配較好

使用此配置陣列卡，極致的讀寫性能可以保證采集卡5GB/s落盤速度外，還可以保證用戶其他一些使用不受影響，滿足客戶其他使用需求。

6.軟件具體實現及接口信息

6.1.aurora接口協議

協議：aurora 64B66B

線速率：25Gbps

Lane:4

模式：全雙工、流模式

6.2.FPGA實現框架

FPGA開發工具：Vivado 2018.3

PC通過寄存器控制FPGA軟件進行光纖的采集與發送工作,軟件可動態配置光纖發送數據、光纖接收數據的DDR空間。

PC與FPGA的PCIE接口采樣XDMA MM模式，把DDR空間掛載在PCIE上，打開PC訪問DDR空間的通道。

采集流程：上位機發送采集指令，FPGA開始采集數據，把采集數據放入fifo，再把fifo的數據寫入DDR中，之后通知上位機拿走數據。

發送流程：上位機把數據寫入DDR中，通知FPGA拿走數據，寫入fifo中，把數據通過光纖口發送出去。

6.3.上位機軟件

軟件系統基于 Qt 5.15框架（C++開發）與 Visual Studio 2015 環境構建，支持跨平臺部署（Windows/Linux）。

軟件啟動查詢自檢：

1、檢查硬盤掛載、硬盤使用過量、初始化狀態、配置文件等

2、掃描板卡硬件狀態，光纖鏈接狀態等信息

7.固件高速讀寫方案

特性	XDMA (PCIe 3.0 x16)	QDMA (PCIe 3.0 x16)
報告速率 (C2H)?	約 8000 MB/s	約 1660 MB/s(單通道) * 8
報告速率 (H2C)?	約 8200 MB/s	約 1670 MB/s(單通道) * 8
理論帶寬??	約 15.75 GB/s	約 15.75 GB/s
DMA映射方式??	流式DMA映射	一致性DMA映射
隊列/通道機制??	少量專用DMA通道	多達2048個隊列，資源共享
適用場景	對并發性要求不高的傳統應用	高吞吐、多任務、低延遲的現代應用

7.1.XDMA 有效讀寫速度

PCIE速率	讀	寫
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有效讀寫速度

PCIE速率	讀	寫
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框架進行固件升級。

緩存管理策略：這是影響性能的關鍵因素之一。XDMA 采用流式DMA映射，每次數據傳輸前后都需要由CPU執行緩存失效或清除操作以確保數據一致性，這會帶來額外的開銷。而 QDMA 采用一致性DMA映射，由硬件自動維護緩存一致性，大大減少了CPU的干預，從而降低了延遲和CPU占用。

隊列架構與并發能力：XDMA 提供數量固定的專用DMA通道（例如4個主機到卡和4個卡到主機通道），當多個任務同時進行時，可能因爭用通道而影響效率。QDMA 則支持多達2048個隊列，這些隊列共享DMA引擎資源，能更好地處理大量并發數據傳輸請求，特別適合虛擬化或多應用場景

8.技術規格一覽表

組件	型號/參數	性能指標
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，硬件預處理
RAID卡	SSD7505	PCIe 4.0 ×8，4×NVMe接口
存儲	三星990 Pro ×4（M.2 NVMe）	RAID 0下持續寫入≥10GB/s
系統帶寬	PCIe+存儲	采集8GB/s，存儲10GB/s

9.應用場景

①工業檢測：半導體晶圓檢測、高速生產線視覺數據實時存儲

②科研領域：粒子對撞實驗數據采集、射電天文信號記錄

③醫療影像：超高清CT/MRI影像實時處理與歸檔

④軍事通信：多通道雷達信號同步采集與加密存儲

標簽: 光纖數據采集存儲板, 光纖采集存儲設備, 醫療影像, VU3P板卡, 高速光纖采集卡, 光纖采集卡

審核編輯 黃宇