基于FPGA的以太網(wǎng)MII接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

奇偶分頻器的實(shí)現(xiàn)

分頻器是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本電路，同一個(gè)設(shè)計(jì)中有時(shí)要求多種形式的分頻。通常由計(jì)數(shù)器或計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)構(gòu)成各種形式的偶數(shù)分頻及非等占空比的奇數(shù)分頻，實(shí)現(xiàn)較為簡單；對(duì)等占空比的奇數(shù)分頻實(shí)現(xiàn)則較為困難。本文對(duì)2n+1等占空比奇數(shù)分頻的基本思路是：先通過模2n+1的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)占空比為n+1/n的奇數(shù)分頻(比如三分頻，正負(fù)波形的占空比為2:1)，然后有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)等占空比的奇數(shù)分頻，一種是當(dāng)計(jì)數(shù)器至n+1時(shí)，讓此波形與輸入時(shí)鐘波形相“與”，不過可能會(huì)存在毛刺輸出；另一種是當(dāng)計(jì)數(shù)器至n+1時(shí)，在輸入時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)產(chǎn)生低電平脈沖，然后再和原波形相“或”，這種方法沒有毛刺產(chǎn)生。因此本文采用第二種方法。

4b/5b編解碼器的設(shè)計(jì)

為了減少系統(tǒng)的開銷，本文把4b/5b的編碼和解碼同時(shí)集中到一個(gè)模塊上實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)0~F可以直接編、解碼。PCS層有6個(gè)特殊的5b碼：11111為幀間填充碼；11000、10001和01101、00111是兩對(duì)成對(duì)出現(xiàn)的碼組，分別為數(shù)據(jù)流開始和結(jié)束時(shí)的分隔符；00100則是數(shù)據(jù)錯(cuò)誤位，用以表示錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)接收時(shí)，可以直接對(duì)這幾個(gè)5b碼組解碼，00100則產(chǎn)生信號(hào)rx_er。發(fā)送時(shí)，需要對(duì)從MII接口傳來的信號(hào)位進(jìn)行判斷：若tx_en上升沿，則在頭兩個(gè)前導(dǎo)碼時(shí)編碼輸出SSD；若tx_en下降沿(幀間隔)，則在FCS后輸出ESD，然后一直用11111為數(shù)據(jù)流間隔填充碼；若有tx_er觸發(fā)，則編碼00100輸出。

異步雙口FIFO的設(shè)計(jì)

為了滿足PCS層數(shù)據(jù)的物理層時(shí)鐘以及MAC層總線時(shí)鐘不同步的需求，需要FIFO有異步的讀、寫時(shí)鐘。當(dāng)沖突檢測COL為高時(shí)，要求發(fā)送幀執(zhí)行退回操作回至FIFO中等待下一個(gè)Transmitting信號(hào)。

FIFO的設(shè)計(jì)思路如下：設(shè)置異步Reset，高電平觸發(fā)；設(shè)置8位寄存器fifodata保存FIFO的數(shù)據(jù)；設(shè)置fifo_rp和fifo_wp為讀、寫指針；cr_rp和cr_wr為進(jìn)位標(biāo)志，fifo_rp和fifo_wp為FIFO_DEPTH-1的時(shí)候取反；設(shè)置nempty、nfull、near_empty、near_full為數(shù)據(jù)空、滿指示。

讀寫時(shí)，F(xiàn)IFO_RD為1，則fifo_out=fifodata[fifo_rp]，fifo_rp=fiforp+1；FIFO_WR為1，則fifodata[fifo_wr]=fifo_in，fifo_wr=fifo_wr+1。nempty、nfull位信號(hào)值的變化通過借助r_rp和cr_wr的進(jìn)位輸出來判斷實(shí)現(xiàn)。當(dāng)讀寫兩個(gè)指針的值相等，即fifo_rp==fifo_wp時(shí)，判斷cr_rp^cr_wr(異或)的值：若是1，則FIFO滿，nfull=0；若是0，則FIFO空，nempty=0。如果fifo_rp!=fifo_wp,則nfull=nempty=0，F(xiàn)IFO不為空也不為滿。

測試時(shí)，暫定容量FIFO_DEPTH為32(實(shí)際要求是至少一個(gè)幀的大小即1530字節(jié)大小)，讀、寫時(shí)鐘分別為50MHz和25MHz，在寫550ns之后同時(shí)讀寫。

主控制模塊的實(shí)現(xiàn)

主控制模塊要求實(shí)現(xiàn)的功能是：4/8位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；給MAC層和PCS層的控制信號(hào)輸出；雙向數(shù)據(jù)MDIO，表征MII接口與物理層相連接的情況，可以異步輸入輸出控制。

實(shí)現(xiàn)4/8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的要求是：發(fā)送時(shí)，將8位數(shù)據(jù)分成兩個(gè)nibble依次輸出；接收時(shí)，將4b/5b編解碼器接收到的4位數(shù)據(jù)依次填入高、低nibble組成8位數(shù)據(jù)輸出。

采用狀態(tài)寄存器對(duì)控制信號(hào)的輸出是MII模塊的核心。設(shè)立3位status1[2:0]，從高位到低位依次是{duplex, col, crs}輸入；4位status2[3:0],從高位到低位依次是{ transmitting ,transmiterror ,rx_en ,rx_er }輸入。輸出控制信號(hào)的基本算法流程如下：

status1[2]為1時(shí)，工作在全雙工模式。CollisionDetect和CarrierSense輸出始終置為0。

status1[2]為0時(shí)，工作在半雙工模式。如果status1[1]為1，則CollisionDetect輸出置為1，開始執(zhí)行退回(backoff)程序；如果status1[0]為1，則CarrierSense輸出置為1，繼續(xù)等待。

status2 [1]為1時(shí)，工作在接收狀態(tài)，Receiving輸出置為1 (此時(shí)status2[3]必須為0)。此時(shí)如果status2[0]為0，則接收數(shù)據(jù)有效，ReceiveDataValid輸出為1；反之則置為0，停止數(shù)據(jù)傳輸。

status2 [1]為0時(shí)，工作在接收停止?fàn)顟B(tài)，Receiving輸出置為0。此時(shí)如果status2[0]為1，eceiveDataValid輸出為0，若接收端數(shù)據(jù)為1110，則表示載波錯(cuò)誤，若接收端數(shù)據(jù)為0000，則表示正常的幀間隔階段；如果status2[0]為0，則表示正常的幀間隔階段，ReceiveDataValid輸出為1。

status2 [3]為1時(shí)，工作在發(fā)送狀態(tài)，tx_en輸出置為1(此時(shí)status2[1]必須為0)。此時(shí)如果status2[2]為0，則正常發(fā)送，tx_er置為0；否則發(fā)送錯(cuò)誤，tx_er置為1，且跳過該字節(jié)繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送程序。

status2 [3]為0時(shí)，若status2 [2]為0，則處于正常幀間隔，tx_en、tx_er置為0；若status2 [2]為1，則為無效狀態(tài)。

綜合與仿真

本文采用Altela公司的Cyclone系列EP1C20F400C8芯片,整個(gè)設(shè)計(jì)全部采用Verilog HDL硬件描述語言來實(shí)現(xiàn),并在Quatus4.0的設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)、綜合、仿真、映射及布局布線。發(fā)送時(shí)序仿真的波形如圖3所示,從圖中可以看出,當(dāng)傳輸過程中發(fā)生沖突時(shí)，繼續(xù)發(fā)送32比特的阻塞碼(16進(jìn)制FF),然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間重新爭用介質(zhì)以傳輸數(shù)據(jù),這說明本模塊滿足了協(xié)議要求以及CSMA/CD。

結(jié)語

本文介紹了一種簡易的基于FPGA的以太網(wǎng)MII協(xié)議的設(shè)計(jì)方法。通過本模塊可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)小型嵌入式系統(tǒng)的因特網(wǎng)接口,如果再結(jié)合基于FPGA實(shí)現(xiàn)的MAC層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧及其他輔助功能模塊,不僅可以使小型嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)更加簡單,系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性也將進(jìn)一步得到提高。