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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)軟核niosII 32位處理器為核心的嵌入式開(kāi)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(kāi)發(fā)集中在MAC控制器的研究。

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　　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。

　3．2．2 接口描述

　　整個(gè)系統(tǒng)模塊間的接口連接如圖2所示。其中，PCS和PMA分別代表物理層的物理編碼子層和物理介質(zhì)接入層。

　　(1)通過(guò)MII／GMII接口提供了與以太網(wǎng)物理層(PHY)設(shè)備的無(wú)縫連接。

　　(2)吉比特模式下支持RGMII接口。

　　(3)可選擇的管理數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊為以太網(wǎng)PHY提供管理信息。

　　(4)為用戶提供基于Aalon—ST的8 bit／32 bit接口。

　　(5)可選擇的集成物理介質(zhì)介入模塊。

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　　3．2．3 千兆以太網(wǎng)IP核

　　Altera提供三態(tài)以太網(wǎng)MAC控制器IP核，可實(shí)現(xiàn)單條或多條吉比特以太網(wǎng)鏈路，通過(guò)交換機(jī)或路由器可與任意以太網(wǎng)端口相連。其配置界面如圖3所示。

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　　整個(gè)配置界面可將IP核配置為所需模式并進(jìn)行IP核參數(shù)設(shè)置，將IP核設(shè)置為千兆以太網(wǎng)MAC模塊，內(nèi)部提供FI—FO模塊。可選的PCS模塊由PHY器件提供，這個(gè)界面分為4個(gè)配置頁(yè)面，描述如下：

• Core Configuration：核配置選項(xiàng)，配置以太網(wǎng)功能模塊，是否包含PCS模塊、FIFO模塊，配置接口類(lèi)型、端口數(shù)等；
• MAC Options：MAC配置選項(xiàng)，配置MAC模塊功能；
• FIFO Options：FIFO存儲(chǔ)器選項(xiàng)，可設(shè)置FlFO存儲(chǔ)器類(lèi)型以及存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；
• PCS／SGMII Options：物理介質(zhì)接入層模塊配置頁(yè)面，配置物理層。

• 　　相應(yīng)的接口信號(hào)包括：控制接口信號(hào)，復(fù)位信號(hào)，MAC系統(tǒng)端信號(hào)(包括接收接口信號(hào)和發(fā)送接口信號(hào))，MAC以太網(wǎng)端信號(hào)(包括GMII模塊信號(hào)和PHY管理接口信號(hào))。

　　表1中描述了MAC以太網(wǎng)端GMII模塊信號(hào)、接口信號(hào)，其余信號(hào)參考千兆以太網(wǎng)用戶手冊(cè)。GMII模塊的接收信號(hào)一般直接連到PHY器件，負(fù)責(zé)與PHY器件的數(shù)據(jù)交互，其信號(hào)與PHY器件接口一一對(duì)應(yīng)，如表1所列。

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　4 物理層(PHY)器件

　　Ahera公司的千兆以太網(wǎng)MAC核默認(rèn)支持的物理層器件有支持10/100 Mb／s的National DP83848C，支持10／100／1 000 Mb／s的National DP83865，Marveil 88E1145以及支持雙物理層和10／100／l 000 Mb／s的Marvell 88E1111。在此，選擇National DP83865為PHY器件。

　　MAC核與吉比特PHY器件通過(guò)GMII接口的連接如圖4所示。

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　　DP83865是National Semiconductor公司的全特性物理層收發(fā)器，集成了PMD子層以支持10BASE-T，100BASE-TX和1000BASE-T以太網(wǎng)協(xié)議，具有超低功耗，3.3V或2.5VMAC接口。

　　5 開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　利用Ahera強(qiáng)大的SOPC Builder系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和Quar-tusII軟件設(shè)計(jì)，基于QuartusII和niosII的SOPC設(shè)計(jì)流程如圖5所示，SOPC開(kāi)發(fā)流程比FPGA的開(kāi)發(fā)流程(細(xì)線框)多增加處理器及其外設(shè)接口的定制步驟和軟件開(kāi)發(fā)步驟(粗線框)。這些新增加的步驟在SOPC Builder，niosII IDE工具的協(xié)助下能夠輕松完成。

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　　6 結(jié)語(yǔ)

　　使用千兆網(wǎng)系統(tǒng)可直接將處理的高速信號(hào)從網(wǎng)口發(fā)送給遠(yuǎn)端處理計(jì)算平臺(tái)，節(jié)省功率放大器和高頻電纜等，減少投入，加強(qiáng)系統(tǒng)的集成性和可靠性，更便于設(shè)計(jì)人員的調(diào)試，且接口更具通用性和擴(kuò)展性。