基于Xilinx FPGA的千兆以太網(wǎng)控制器的開發(fā)

　　1．千兆以太網(wǎng)技術(shù)簡介

　　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)又具有許多新的特性，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)利用了原以太網(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)中所定義的管理對象。千兆以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是千兆以太網(wǎng)二層（MAC層）的交換與以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)。隨著多媒體應(yīng)用的普及，千兆以太網(wǎng)必將成為各類以太網(wǎng)技術(shù)的主力軍。

　　2．Xilinx的千兆以太網(wǎng)解決方案

　　1）IP的支持

　　Xilinx提供了可參數(shù)化的10/1Gbps以太網(wǎng)媒體訪問控制器功能LogiCORE解決方案。該核設(shè)計(jì)用來同最新的Virtex-5、Virtex-4和Virtex-II Pro平臺FPGA一起工作，并可以無縫集成到Xilinx設(shè)計(jì)流程中。吉比特級以太網(wǎng)媒體訪問控制器核（GEMAC）是針對1Gb/s（Gbps）以太網(wǎng)媒體訪問控制器功能的可參數(shù)化的LogiCORE IP解決方案。GEMAC核的設(shè)計(jì)符合 IEEE 802.3-2002規(guī)范。GWMAC核支持兩個PHY端接口選項(xiàng)：GMII或RGMII。并且，Xilinx 全面的1Gb/s以太網(wǎng)解決方案包含吉比特MAC和PCS/PMA IP核產(chǎn)品。Xilinx吉比特以太網(wǎng)MAC解決方案還包括帶有內(nèi)置處理器本地總線（PLB）接口（PLB GEMAC）的配置。該配置通過Xilinx嵌入式開發(fā)套件（EDK）提供。GEMAC LogiCORE IP可以實(shí)現(xiàn)與1000 Base-X PCS/PMA或SGMII核的無縫集成，并提供3種選項(xiàng)用來與PHY器件接口：1000 BASE-X或10位接口（TBI）或SGMII。

　　GEMAC核非常適合開發(fā)高密度吉比特級以太網(wǎng)通信和存儲設(shè)備，其關(guān)鍵特性有：

• 　　單速全雙工11 Gbps MAC控制器；
• 　　設(shè)計(jì)符合IEEE 802.3-2002規(guī)范；
• 　　具有最小緩沖的直通操作，以最大限度地實(shí)現(xiàn)客戶端接口的靈活性；
• 　　通過可選的獨(dú)立微處理器中的接口進(jìn)行配置和監(jiān)控；
• 　　直接與以太網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)核接口，以便實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集；
• 　　通過MAC控制暫停幀實(shí)現(xiàn)對稱的或非對稱的可選的流程控制；
• 　　VLAN幀的可選技術(shù)支持符合IEEE 802.3-2002規(guī)范的要求；
• 　　支持任意長度的“jumbo幀”（可選）；
• 　　可選的地址濾波器，具有數(shù)量可選的地址表輸入。

　　2）相應(yīng)的開發(fā)板套件

　　Xilinx提供的千兆以太網(wǎng)開發(fā)套件為Virtex-5 ML505/ML506開發(fā)板（使用的FPGA芯片為：XC5VLX50T-1FF1136），該開發(fā)板支持10/100兆、1/10吉以太網(wǎng)，加上Xilinx公開的基于ML505/506的設(shè)計(jì)，可為基于以太網(wǎng)開發(fā)的設(shè)計(jì)提供全方位的參考。此外，ML505/506還具備SFP、PCI E、SATA以及SMA接口等其余吉比特接口，是學(xué)習(xí)和研發(fā)高速連接設(shè)備的理想平臺。

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

　　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MII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10-30所示。整個系統(tǒng)分為發(fā)送模塊、接收模塊、MAC狀態(tài)模塊、MAC控制模塊、MII管理模塊和主機(jī)接口模塊六部分。發(fā)送模塊和接收模塊主要提供MAC幀的發(fā)送和接收功能，其主要操作有MAC幀的封裝與解包以及錯誤檢測，它直接提供了到外部物理層芯片的并行數(shù)據(jù)接口。在實(shí)現(xiàn)中物理層處理直接利用商用的千兆PHY芯片，主要開發(fā)量集中在MAC控制器的開發(fā)上。

圖10-30 以太網(wǎng)控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

　　MAC控制模塊則用于執(zhí)行全雙工模式中的流量控制功能。MAC狀態(tài)模塊可用來監(jiān)視MAC操作過程的各種狀態(tài)信息，并作修改。MII管理模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3介質(zhì)獨(dú)立接口，可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層與物理層。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，以用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對控制器內(nèi)各種寄存器（控制、狀態(tài)和命令寄存器）的設(shè)置。