基于Xilinx FPGA的千兆以太网控制器的开发

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千兆以太网技术

1．千兆以太网技术简介

以太网技术是当今应用广泛的网络技术，千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优点，同时又具有许多新的特性，例如传输介质包括光纤和铜缆，使用8B/10B的编解码方案，采用载波扩展和分组突发技术等。正是因为具有良好的继承性和许多优秀的新特性，千兆以太网已经成为目前局域网的主流解决方案。

千兆以太网利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象。千兆以太网的关键技术是千兆以太网二层（MAC层）的交换与以太网接口的实现。随着多媒体应用的普及，千兆以太网必将成为各类以太网技术的主力军。

2．Xilinx的千兆以太网解决方案

1）IP的支持

Xilinx提供了可参数化的10/1Gbps以太网媒体访问控制器功能LogiCORE解决方案。该核设计用来同最新的Virtex-5、Virtex-4和Virtex-II Pro平台FPGA一起工作，并可以无缝集成到Xilinx设计流程中。吉比特级以太网媒体访问控制器核（GEMAC）是针对1Gb/s（Gbps）以太网媒体访问控制器功能的可参数化的LogiCORE IP解决方案。GEMAC核的设计符合 IEEE 802.3-2002规范。GWMAC核支持两个PHY端接口选项：GMII或RGMII。并且，Xilinx 全面的1Gb/s以太网解决方案包含吉比特MAC和PCS/PMA IP核产品。Xilinx吉比特以太网MAC解决方案还包括带有内置处理器本地总线（PLB）接口（PLB GEMAC）的配置。该配置通过Xilinx嵌入式开发套件（EDK）提供。GEMAC LogiCORE IP可以实现与1000 Base-X PCS/PMA或SGMII核的无缝集成，并提供3种选项用来与PHY器件接口：1000 BASE-X或10位接口（TBI）或SGMII。

GEMAC核非常适合开发高密度吉比特级以太网通信和存储设备，其关键特性有：

单速全双工11 Gbps MAC控制器；
设计符合IEEE 802.3-2002规范；
具有最小缓冲的直通操作，以最大限度地实现客户端接口的灵活性；
通过可选的独立微处理器中的接口进行配置和监控；
直接与以太网统计数据核接口，以便实现功能强大的统计数据收集；
通过MAC控制暂停帧实现对称的或非对称的可选的流程控制；
VLAN帧的可选技术支持符合IEEE 802.3-2002规范的要求；
支持任意长度的“jumbo帧”（可选）；
可选的地址滤波器，具有数量可选的地址表输入。

2）相应的开发板套件

Xilinx提供的千兆以太网开发套件为Virtex-5 ML505/ML506开发板（使用的FPGA芯片为：XC5VLX50T-1FF1136），该开发板支持10/100兆、1/10吉以太网，加上Xilinx公开的基于ML505/506的设计，可为基于以太网开发的设计提供全方位的参考。此外，ML505/506还具备SFP、PCI E、SATA以及SMA接口等其余吉比特接口，是学习和研发高速连接设备的理想平台。
10.4.2 基于FPGA的千兆以太网MAC控制器实现方案

1．整体设计方案

以太网控制器的FPGA设计工作包括以太网MAC子层的FPGA设计、MAC子层与上层协议的接口设计以及MAC与物理层（PHY）的MII接口设计。该以太网控制器的总体结构设计框图如图10-30所示。整个系统分为发送模块、接收模块、MAC状态模块、MAC控制模块、MII管理模块和主机接口模块六部分。发送模块和接收模块主要提供MAC帧的发送和接收功能，其主要操作有MAC帧的封装与解包以及错误检测，它直接提供了到外部物理层芯片的并行数据接口。在实现中物理层处理直接利用商用的千兆PHY芯片，主要开发量集中在MAC控制器的开发上。

图10-30 以太网控制器的结构设计框图

MAC控制模块则用于执行全双工模式中的流量控制功能。MAC状态模块可用来监视MAC操作过程的各种状态信息，并作修改。MII管理模块提供了标准的IEEE 802.3介质独立接口，可用于连接以太网的链路层与物理层。主机接口则提供以太网控制器与上层协议（如TCP/IP协议）之间的接口，以用于数据的发送、接收以及对控制器内各种寄存器（控制、状态和命令寄存器）的设置。

2．MAC控制器结构和工作流程

1）MAC发送模块

MAC发送模块可将上层协议提供的数据封装之后通过MII接口发送给PHY。发送模块可接收主机接口模块的数据帧开始和数据帧结束标志，并通过主机接口从外部存储器中读取要发送的数据，然后对数据进行封装，再通过PHY提供的载波侦听和冲突检测信号，在信道空闲时由MII接口将数据以4位的宽度发送给PHY芯片，最后由PHY将数据发送到网络上。

发送模块由CRC生成模块（crc_gen）、随机数生成模块（random_gen）、发送计数模块（tx_cnt）和发送状态机（tx_statem_machine）模块等四个主要子模块组成，其内部结构如图10-31所示。

图10-31 以太网MAC发送模块的结构示意图

发送状态机由Idle_State、Preamble_State、Data0_State、Data1_State、PAD_State、FCS_State、IPG_State、Jam_State、BackOff_State、Defer_State 等十个状态组成。其状态转移图如图10-32所示。

图10-32 发送状态机的状态转移图

系统复位后，发送模块即进入Defer_State状态，并一直检测载波侦听（CarrierSense）信号。当载波侦听信号变成无效（表示信道空闲）时，状态机进入IPG_State状态。此后，在等待一个帧间间隙之后，状态机进入Idle_State状态。如果在帧间间隙的前2/3个周期检测到信道忙信号，状态机将重新回到Defer_State状态。

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状态机进入Idle_State状态之后，发送模块将检测载波侦听信号和主机接口的发送请求。若主机模块请求发送，状态机将进入Preamble_State状态，发送模块即通知PHY发送开始，同时开始发送前序码（7个0x5）, 然后发送帧起始定界符（SFD, 0xd）。状态机进入Data0_State后，发送模块将发送一个数据字节的低4位（LSB nibble），当其进入Data1_State状态后，发送模块则发送数据字节的高4位（MSB nibble）。随后，状态机一直在data0和data1之间循环，直到数据发送完毕。当还剩一个字节时，主机模块将通过发送帧结束信号来通知发送模块。如果数据帧的长度大于最小帧并且小于最大帧，状态机就进入FCS_State状态，此时发送模块则将CRC生成模块生成的CRC值添加到帧的FCS字段中并发送给PHY。

帧发送完之后，状态机进入Defer_State 状态，之后是IPG_State和Idle_State状态。此后状态机又回到初始状态，以重新等待新的发送请求。如果数据帧的长度小于最短帧，状态机就进入PAD_State状态，发送模块根据系统设置确定是否在数据之后添加填充码。然后，状态机进入FCS_State状态。如果数据帧的长度大于最大帧，而系统设置又支持发送超长帧，那么，状态机就进入FCS_State状态；如果不支持发送超长帧，发送模块将放弃发送，状态机直接进入Defer状态，然后是IPG状态，最后回到Idle状态。

在发送数据的过程中，发送模块会一直检查冲突检测信号（collision detected）。如果发现冲突且状态机正处于Preamble_State，状态机将在发送完前序码和SFD之后进入Jam_State，并发送拥塞码，然后进入BackOff状态，以等待重试。之后，状态机经过Defer和IPG回到Idle状态。如果此时重试次数计数器的值没有达到额定值，发送模块将重新开始发送刚才的帧，并将重试次数计数器的值加1；如果发现冲突且状态机处于data0、data1或FCS状态，而且没有超过冲突时间窗，那么状态机将马上进入Jam状态发送拥塞码，之后经过BackOff、Defer、IPG、回到Idle，并根据重试计数器的值决定是否重新发送刚才的数据帧；如果检测到发生冲突的时间超过了冲突时间窗，状态机将进入Defer状态，然后经过IPG到IDLE状态，并放弃重试。

在全双工模式中发送帧时，不会进行延迟（defer）, 发送的过程中也不会产生冲突。此时，发送模块将忽略PHY的载波侦听和冲突检测信号。当然，帧与帧之间仍然需遵守帧间间隙的规则。因此，全双工模式下的发送状态机没有Jam_State、BackOff_State、Defer_State三个状态。

2）MAC接收模块

MAC接收模块结构如图10-33所示，负责数据帧的接收。当外部PHY将通信信道的串行数据转换为半字节长的并行数据并发送给接收模块后，接收模块会将这些半字节数据转换为字节数据，然后经过地址识别、CRC校验、长度判断等操作后，再通过主机接口写入外部存储器，并在主机接口模块的接收队列中记录帧的相关信息。此外，接收模块还负责前序码和CRC的移除。

图10-33 以太网MAC接收模块的结构示意图

接收过程的接收状态机由Idle_State、Drop_State、Preamble_State、SFD_State、Data0_
State、Data1_State等六个状态组成, 其状态转移图如图10-34所示。

图10-34 接收状态机的状态转移图

当接收模块检测到数据有效信号之后,，状态机将进入Preamble_State，并开始接收前序码。此后状态机进入SFD_State，接收一个字节的帧起始定界符，之后根据IFGcnt计数器的值进入不同的状态。如果IFGcnt所确定的时间大于96个比特时间，状态机将进入Data0状态以接收字节的低4位，然后是Data1状态，并接收字节的高4位，之后又回到Data0状态。状态机就一直在这两个状态之间循环，直到数据接收完毕（PHY清除MRxDV信号）后进入Idle，以重新等待接收新的数据；如果接收到帧起始定界符时，IFGcnt计数器所确定的时间小于96个比特时间，那么状态机将进入Drop_State状态，并一直维持该状态直到数据有效信号结束（PHY清除MRxDV信号）。之后，状态机再回到Idle等待接收新的数据。如果在接收前序码、帧起始定界符和数据期间，数据有效信号被清除，那么状态机将回到Idle。

3）MII管理模块

MII管理模块用于控制MAC与外部PHY之间的接口，用于对PHY进行配置并读取其状态信息。该接口由时钟信号MDC和双向数据信号MDIO组成。MII管理模块则由时钟生成模块、移位寄存器模块和输出控制模块三部分组成。

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时钟生成模块可以根据系统时钟和系统设置中的分频系数来产生MII 管理模块的时钟信号MDC（10 Mbps速率时为2.5 MHz, 100 Mbps速率时为25 MHz）。移位寄存器模块既可用于对PHY的控制数据进行写入操作，也可用于对PHY的状态信息进行读出操作。写控制数据时，移位寄存器根据其他模块的控制信号将并行控制数据转换为串行数据；而在读状态信息时，移位寄存器则将PHY的串行数据转换为并行数据，MAC中的其他模块可将该并行数据写入适当的寄存器。

由于MDIO是双向信号，因此输出控制模块就用来决定MDIO是处于输入状态还是输出状态。当MDIO处于输出状态时，移位寄存器输出的串行控制数据在经过时钟同步后发送到PHY；当MDIO处于输入状态时，移位寄存器将数据线上的串行数据转换为并行数据

4）主机接口模块

主机接口是运行以太网的上层协议（如TCP/IP协议）与MAC控制器的接口。通过该接口，上层协议可以设置MAC的工作模式并读取MAC的状态信息。该接口还可用于上层协议与MAC之间的数据交换。

主机接口模块内有一组寄存器，可用于存储上层协议对MAC设置的参数以及MAC的状态信息。上层协议对MAC设置的参数包括接收超短帧的使能、添加填充码使能、发送超长帧的使能、添加CRC校验值使能、全双工模式或半双工模式、持超长延迟使能、混杂模式
（Promiscuous）、接收广播帧使能、发送和接收使能、中断源和中断使能、帧间间隙的长度、最大帧和最小帧的长度、重试限制和冲突时间窗、MII地址和MII控制命令、接收和发送队列的长度以及本机MAC地址等。

上层协议通过MAC发送和接收数据的操作主要由主机接口模块内的两个队列来进行管理，这两个队列用于对等待发送的多个帧和接收到的多个帧进行排队。发送队列主要记录等待发送的帧的相关信息、发送该帧时对MAC的设置以及该帧发送完之后产生的状态信息。帧的相关信息包括帧的长度、帧在外部存储器中的地址、该帧是否准备好发送以及队列中是否还有其它帧等待发送；对MAC的设置则包括中断使能、填充使能、CRC使能；产生的状态信息包括成功发送之前的重试次数、由于达到重试限制而放弃发送、发送时产生的滞后冲突以及成功发送之前发生过的延迟。

接收队列主要对接收到的数据帧进行排队并记录每个接收到的帧信息。这些信息包括帧的长度、是控制帧还是普通数据帧、帧中包含无效符号、接收到的帧太长或太短、发生CRC错误、接收的过程中发生滞后冲突、帧是否接收完、队列中是否还有其它已接收到的帧以及帧存储在外部存储器中的地址等。同时队列中还有针对每个帧的设置位，用来设置是否在接收到帧时产生中断。发送队列和接收队列的长度都可以在控制寄存器中进行设置。

10.4.3 Xilinx 千兆以太网MAC IP Core

1．GMAC IP Core的应用场景和架构

Xilinx提供了三态以太网MAC控制器的IP Core，可实现单条吉比特以太网链路，通过交换机或路由器可与任意以太网端口相连。由于MAC控制器的速率很高，底层传输必须依赖Rocket I/O，在客户端还需要利用FIFO来交换数据，其完整的设计方案如图10-35所示。

图10-35 千兆以太网MACIP Core的应用场合示意图

2．GMAC IP Core的配置界面和接口信号

图10-36 千兆以太网MACIP Core的配置界面

千兆以太网MACIP Core的配置界面如图10-36所示。GEMAC控制器所实现的主要功能如图10-37所示，包括发送引擎、接收引擎、流控制、GMII接口、客户发送接口、客户接收接口以及客户管理接口。

图10-37 千兆以太网MACIP Core的主要功能示意图

下面给出相应模块的功能和接口信号说明。

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）发送引擎

发送引擎通过客户发送端口接收以太网的数据帧，并在帧头添加帧引导区域，甚至在帧长小于最短要求时，添加一定的冗余比特。同时，该模块还会在连续的数据帧之间插入以太网协议所规定的最小延时，将用户数据转化成标准的GMII数据帧，并送至GMII模块。在应用时，面向用户的操作就是将用户数据读入GEMAC核内部该模块接口信号的简要信息如表10-10所列。

表10-10 发送引擎接口信号列表

发送引擎的时序如图10-38所示。当客户端有数据发送时，将tx_data_valid拉高，同时将数据的第一个字节置于tx_data端口；当GEMAC将第一字节数据读入后，会将tx_ack信号拉高，用户端逻辑检测到tx_ack为高时，要在下一个时钟上升沿将其余的数据发送到数据端口上，当数据发送完毕后，将tx_data_valid拉低。

图10-38 发送引擎的时序图

2）接收引擎

接收引擎接收来自GMII模块的数据，去掉帧头的引导区域，包括为了增加帧长的冗余比特。此外，该模块还能根据数据帧中的检验序列区域、接收到的GMII错误码字以及帧长信息完成错误检测，主要接口信号的简要说明如表10-11所列。

表10-11 接收引擎接口信号列表

接收引擎的时序如图10-39所示。客户端逻辑必须在任何时候都准备好接收数据，因为在GEMAC核中没有接收缓存，有时延就会丢失数据，因此用户可自己添加缓冲逻辑。rx_data_valid为高时立即开始接收连续数据，在检测到rx_data_valid变低后，判断rx_good_frame信号的电平，如果为高则继续处理该帧数据，否则直接丢弃。

图10-39 接收引擎的时序图

3）流控制

流控制模块是根据IEEE 802.3-2002标准的31项条款设计的，在发送时附带暂停帧，接收时也需要对其处理。在GEMAC核中，它是自动配置的，同时，也提供了用户自定义的配置端口，如表10-12所列。

表10-12 流控制接口信号

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4）可选的管理接口

管理接口是一个独立的可选端口，其地址、数据和控制信号相对于其他模块是独立的，提供了和CoreConnec总线的交互能力，可挂在MicroBlaze软核或PowerPC硬核处理器，可用于配置GEMAC核以及通过MDIO接口直接读写外部PHY芯片的内部配置寄存器。该模块包括用户管理的接口和MDIO接口两部分，后者直接与PHY芯片相连，全部接口信号的简要说明如10-13所列。

表10-13 管理模块的接口信号

5）复位操作

管理模块具备自己独立的软件复位信号，但当管理接口模块被旁路掉，其相应的配置信号被作为configuration_vector[64:0]输入信号使用。此外，GEMAC核提供了硬件复位信号，如表10-14所列。

表10-14 复位信号列表

6）GMII模块

GMII模块的接收信号一般都是直接连到PHY芯片上，负责和PHY芯片的数据交互，其信号和PHY芯片的接口是一一对应的，如表10-15所列。

表10-15 GMII模块接口信号列表

配置完成后，可在工程管理区选中GEMAC核，在过程管理区，点击“View HDL Instantiation Template”命令，查看其例化代码，它在代码中的例化方法和一般IP Core的方法是一样的。

10.5 本章小结

高速串行传输技术是FPGA未来的三大应用领域之一，本章主要介绍了Xilinx公司的Rocket I/O解决方案。首先给出高速传输的背景，指出串行方式是吉比特以及更高速率链路的必然选择。其次，给出了吉比特串行传输的通用架构，为后文做好铺垫。接着重点介绍了Xilinx公司Rocket I/O的系统组成、相关协议、时钟设计方案、开发要素以及Rocket I/O的使用方法。最后说明了千兆以太网MAC控制器IP Core的使用方法。读者需要注意的是Rocket I/O是Xilinx高端FPGA中的内嵌组件，和DCM、硬核乘法器、块RAM等的使用方法是一样的，可通过IP Core调用。高速传输是一种新技术，开发难度较大，本章只是介绍了其中的主要核心部分和基本原理，还需要读者阅读大量的文献和实际操作才能熟练开发相关系统。