基于Altera FPGA的千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案

1 引言

　　在系統(tǒng)設(shè)備不斷向小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的今天，嵌入式開發(fā)成為新技術(shù)發(fā)展的最前沿，改變著系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。FPGA由于其自身特點(diǎn)，成為嵌入式開發(fā)的最佳平臺(tái)。Altera公司結(jié)合其最新一代高端器件推出了全新的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，能夠實(shí)現(xiàn)軟核niosII 32位處理器為核心的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。

　　在CvcloneII中，A1tera集成了完整的千兆以太網(wǎng)硬核，硬核包括MAC模塊以及可選擇的物理層PCS模塊和PMA模塊，其中MAC模塊支持l0／100／1000 Mb/s。Altera的SOPCBuilder工具提供快速搭建SOPC系統(tǒng)的能力，這種架構(gòu)可以包含一個(gè)或多個(gè)CPU，提供存儲(chǔ)器接口，外圍設(shè)備和系統(tǒng)互連邏輯的復(fù)雜系統(tǒng)。

　　2 千兆以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

　　以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，千兆以太網(wǎng)技術(shù)繼承了以往以太網(wǎng)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有諸多新特性，例如傳輸介質(zhì)包括光纖和銅纜，使用8B/10B的編解碼方案，采用載波擴(kuò)展和分組突發(fā)技術(shù)等。正是因?yàn)榫哂辛己玫睦^承性和許多優(yōu)秀的新特性，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)成為目前局域網(wǎng)的主流解決方案。

　　千兆以太網(wǎng)利用原以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部技術(shù)規(guī)范，其中包括CSMA／CD協(xié)議、以太網(wǎng)幀、全雙工、流量控制以及IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)中所定義的管理對(duì)象。千兆以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是千兆以太網(wǎng)的MAC層和以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)。隨著多媒體應(yīng)用的普及，干兆以太網(wǎng)必然得到廣泛應(yīng)用。

　　3 Altera的千兆以太網(wǎng)解決方案

　　3．1 IP核的支持

　　Altera提供了可參數(shù)化的千兆以太網(wǎng)megacore解決方案。該方案可在Altera的Arria GX，CycloneII，CycloneIII系列FPGA上工作，可配置使其包含MAC，PCS，PMA模塊中的一種或多種，配置選擇及相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　千兆以太網(wǎng)IP核的功能描述如下：

　　(1)支持IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)10/100/1 000 Mb，s以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制支持半雙工和全雙工工作模式。

　　(3)多通道MAC，支持最多24端口。

　　(4)以太網(wǎng)物理層編碼子層1000BASE一X／SGMII標(biāo)準(zhǔn)的自協(xié)商。

　　(5)接口使用方便。

　　對(duì)于千兆以太網(wǎng)控制器的實(shí)現(xiàn)，采用表第l行的配置。吉比特級(jí)以太網(wǎng)媒體控制器核(GEMAC)是針對(duì)1 Gb／s以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器功能的可參數(shù)化的megacore解決方案。

　　3．2 基于FPGA的千兆以太網(wǎng)MAC控制器實(shí)現(xiàn)方案

　　3．2．1 整體設(shè)計(jì)方案

　　以太網(wǎng)控制器的FPGA設(shè)計(jì)工作包括以太網(wǎng)MAC子層的FPGA設(shè)計(jì)，MAC子層與上層協(xié)議的接口設(shè)計(jì)以及MAC與物理層(PHY)的GMII接口設(shè)計(jì)。該以太網(wǎng)控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為MAC模塊，主機(jī)接口模塊和管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。其中，MAC模塊主要執(zhí)行在全雙工模式下的流量控制，MAC幀實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收功能，其主要操作有MAC幀的封裝與解包以及錯(cuò)誤檢測(cè)，直接提供了到外部物理層器件的并行數(shù)據(jù)接口，物理層處理直接利用商用千兆PHY器件，主要開發(fā)集中在MAC控制器的研究。

　　管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3介質(zhì)獨(dú)立接口，可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層和物理層。主機(jī)接口則提供以太網(wǎng)控制器與上層協(xié)議(如TCP／IP協(xié)議)之間的接口，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對(duì)控制器內(nèi)各種寄存器的設(shè)置。