以太网技术历经几十年的发展,以其高带宽、低成本、高集成度等优点,已成为一种民用环境中成熟稳定,不可替代的通信技术。随着工业以太网、车载以太网、时间触发以太网等概念的出现和发展,以太网技术的应用场景不断拓展,对以太网数据传输的实时性与可靠性也提出了更高要求。作为提供网络数据交互服务的核心设备,在航空航天、工业控制、汽车驾驶等特定领域,传统以太网交换设备提供的尽力投递服务显然无法满足需求,因此,对兼顾实时性和高可靠性的确定性以太网交换设备的研究具有重要的应用价值。本文结合课题组承担的项目“同步确定性以太网交换IP核设计”,首先介绍了确定性以太网的研究背景与研究现状;其次,阐述了确定性以太网的系统组成及核心关键技术,根据设计需求给出交换IP核的整体设计架构,详细说明了其工作原理,结构划分以及处理流程;第三,重点研究了确定性以太网交换IP核接收处理单元的设计与实现,包括接口模块、MAC模块、接收流量控制模块、NP模块、流量监控模块、PCIe接口模块、MIB模块等;第四,使用Verilog硬件描述语言将整个设计进行了实现,并创建确定性以太网仿真环境,使用仿真软件对设计进行了仿真验证,对验证过程中发现的问题和纰漏进行了改进和完善;最后,在真实确定性以太网环境下基于现场可编程门阵列平台对交换IP核进行了硬件测试与验证,结果表明交换IP核实现了设计需求,功能与性能达到了设计指标要求。本文的创新点如下:第一,本文实现的交换IP核在接收处理传统以太网数据的同时,增加了对硬实时数据的接收处理功能,实现硬实时数据通信;第二,在交换IP核中设计实现了快速高效的数据帧处理模块,交换容量超过16 Gbps;第三,在接收处理单元中设计实现了更完善且用户可自定义的Qo S与NP功能,包括支持多种类型的数据帧匹配与操作功能,支持自定义的流量控制与整形功能,支持基于输入端口、VLAN标签以及DSCP的优先级映射功能等;第四,为完成对交换IP核的管理配置与数据通信功能,为交换IP核设计实现了可与外部CPU通信的PCIe接口模块。