三、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(gè)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(cuò)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1 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(duì)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。

　　2．MAC控制器結(jié)構(gòu)和工作流程

　　1）MAC發(fā)送模塊

　　MAC發(fā)送模塊可將上層協(xié)議提供的數(shù)據(jù)封裝之后通過MII接口發(fā)送給PHY。發(fā)送模塊可接收主機(jī)接口模塊的數(shù)據(jù)幀開始和數(shù)據(jù)幀結(jié)束標(biāo)志，并通過主機(jī)接口從外部存儲(chǔ)器中讀取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，再通過 PHY提供的載波偵聽和沖突檢測信號(hào)，在信道空閑時(shí)由MII接口將數(shù)據(jù)以4位的寬度發(fā)送給PHY芯片，最后由PHY將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

　　發(fā)送模塊由CRC生成模塊（crc_gen）、隨機(jī)數(shù)生成模塊（random_gen）、發(fā)送計(jì)數(shù)模塊（tx_cnt）和發(fā)送狀態(tài)機(jī)（tx_statem_machine）模塊等四個(gè)主要子模塊組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-31所示。

　　圖2? 以太網(wǎng)MAC發(fā)送模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

　　發(fā)送狀態(tài)機(jī)由Idle_State、Preamble_State、Data0_State、Data1_State、PAD_State、 FCS_State、IPG_State、Jam_State、BackOff_State、Defer_State 等十個(gè)狀態(tài)組成。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖10-32所示。

　　圖3? 發(fā)送狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　系統(tǒng)復(fù)位后，發(fā)送模塊即進(jìn)入Defer_State狀態(tài)，并一直檢測載波偵聽（CarrierSense）信號(hào)。當(dāng)載波偵聽信號(hào)變成無效（表示信道空閑）時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IPG_State狀態(tài)。此后，在等待一個(gè)幀間間隙之后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Idle_State狀態(tài)。如果在幀間間隙的前2/3個(gè)周期檢測到信道忙信號(hào)，狀態(tài)機(jī)將重新回到Defer_State狀態(tài)。

　　狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Idle_State狀態(tài)之后，發(fā)送模塊將檢測載波偵聽信號(hào)和主機(jī)接口的發(fā)送請(qǐng)求。若主機(jī)模塊請(qǐng)求發(fā)送，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入Preamble_State狀態(tài)，發(fā)送模塊即通知PHY發(fā)送開始，同時(shí)開始發(fā)送前序碼（7個(gè)0x5）， 然后發(fā)送幀起始定界符（SFD， 0xd）。狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Data0_State后，發(fā)送模塊將發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的低4位（LSB nibble），當(dāng)其進(jìn)入Data1_State狀態(tài)后，發(fā)送模塊則發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的高4位（MSB nibble）。隨后，狀態(tài)機(jī)一直在data0和data1之間循環(huán)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。當(dāng)還剩一個(gè)字節(jié)時(shí)，主機(jī)模塊將通過發(fā)送幀結(jié)束信號(hào)來通知發(fā)送模塊。如果數(shù)據(jù)幀的長度大于最小幀并且小于最大幀，狀態(tài)機(jī)就進(jìn)入FCS_State狀態(tài)，此時(shí)發(fā)送模塊則將CRC生成模塊生成的CRC值添加到幀的FCS字段中并發(fā)送給PHY。

　　幀發(fā)送完之后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Defer_State 狀態(tài)，之后是IPG_State和Idle_State狀態(tài)。此后狀態(tài)機(jī)又回到初始狀態(tài)，以重新等待新的發(fā)送請(qǐng)求。如果數(shù)據(jù)幀的長度小于最短幀，狀態(tài)機(jī)就進(jìn)入PAD_State狀態(tài)，發(fā)送模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置確定是否在數(shù)據(jù)之后添加填充碼。然后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入FCS_State狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)幀的長度大于最大幀，而系統(tǒng)設(shè)置又支持發(fā)送超長幀，那么，狀態(tài)機(jī)就進(jìn)入FCS_State狀態(tài)；如果不支持發(fā)送超長幀，發(fā)送模塊將放棄發(fā)送，狀態(tài)機(jī)直接進(jìn)入Defer狀態(tài)，然后是IPG狀態(tài)，最后回到Idle狀態(tài)。

　　在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)送模塊會(huì)一直檢查沖突檢測信號(hào)（collision detected）。如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機(jī)正處于Preamble_State，狀態(tài)機(jī)將在發(fā)送完前序碼和SFD之后進(jìn)入Jam_State，并發(fā)送擁塞碼，然后進(jìn)入BackOff狀態(tài)，以等待重試。之后，狀態(tài)機(jī)經(jīng)過Defer和IPG回到Idle狀態(tài)。如果此時(shí)重試次數(shù)計(jì)數(shù)器的值沒有達(dá)到額定值，發(fā)送模塊將重新開始發(fā)送剛才的幀，并將重試次數(shù)計(jì)數(shù)器的值加1；如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機(jī)處于data0、data1或FCS狀態(tài)，而且沒有超過沖突時(shí)間窗，那么狀態(tài)機(jī)將馬上進(jìn)入Jam狀態(tài)發(fā)送擁塞碼，之后經(jīng)過BackOff、Defer、IPG、回到Idle，并根據(jù)重試計(jì)數(shù)器的值決定是否重新發(fā)送剛才的數(shù)據(jù)幀；如果檢測到發(fā)生沖突的時(shí)間超過了沖突時(shí)間窗，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入Defer狀態(tài)，然后經(jīng)過IPG到IDLE狀態(tài)，并放棄重試。

　　在全雙工模式中發(fā)送幀時(shí)，不會(huì)進(jìn)行延遲（defer）， 發(fā)送的過程中也不會(huì)產(chǎn)生沖突。此時(shí)，發(fā)送模塊將忽略PHY的載波偵聽和沖突檢測信號(hào)。當(dāng)然，幀與幀之間仍然需遵守幀間間隙的規(guī)則。因此，全雙工模式下的發(fā)送狀態(tài)機(jī)沒有Jam_State、BackOff_State、Defer_State三個(gè)狀態(tài)。

　　2）MAC接收模塊

　　MAC 接收模塊結(jié)構(gòu)如圖10-33所示，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的接收。當(dāng)外部PHY將通信信道的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為半字節(jié)長的并行數(shù)據(jù)并發(fā)送給接收模塊后，接收模塊會(huì)將這些半字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過地址識(shí)別、CRC校驗(yàn)、長度判斷等操作后，再通過主機(jī)接口寫入外部存儲(chǔ)器，并在主機(jī)接口模塊的接收隊(duì)列中記錄幀的相關(guān)信息。此外，接收模塊還負(fù)責(zé)前序碼和CRC的移除。

　　圖4? 以太網(wǎng)MAC接收模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

　　接收過程的接收狀態(tài)機(jī)由Idle_State、Drop_State、Preamble_State、SFD_State、Data0_

　　State、Data1_State等六個(gè)狀態(tài)組成， 其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖10-34所示。

　　圖5? 接收狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　當(dāng)接收模塊檢測到數(shù)據(jù)有效信號(hào)之后，，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入Preamble_State，并開始接收前序碼。此后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SFD_State，接收一個(gè)字節(jié)的幀起始定界符，之后根據(jù)IFGcnt計(jì)數(shù)器的值進(jìn)入不同的狀態(tài)。如果IFGcnt所確定的時(shí)間大于96個(gè)比特時(shí)間，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入Data0狀態(tài)以接收字節(jié)的低4位，然后是Data1狀態(tài)，并接收字節(jié)的高4位，之后又回到Data0狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)就一直在這兩個(gè)狀態(tài)之間循環(huán)，直到數(shù)據(jù)接收完畢（PHY清除 MRxDV信號(hào)）后進(jìn)入Idle，以重新等待接收新的數(shù)據(jù)；如果接收到幀起始定界符時(shí)，IFGcnt計(jì)數(shù)器所確定的時(shí)間小于96個(gè)比特時(shí)間，那么狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入Drop_State狀態(tài)，并一直維持該狀態(tài)直到數(shù)據(jù)有效信號(hào)結(jié)束（PHY清除MRxDV信號(hào)）。之后，狀態(tài)機(jī)再回到Idle等待接收新的數(shù)據(jù)。如果在接收前序碼、幀起始定界符和數(shù)據(jù)期間，數(shù)據(jù)有效信號(hào)被清除，那么狀態(tài)機(jī)將回到Idle。

　　3）MII管理模塊

　　MII管理模塊用于控制MAC與外部PHY之間的接口，用于對(duì)PHY進(jìn)行配置并讀取其狀態(tài)信息。該接口由時(shí)鐘信號(hào)MDC和雙向數(shù)據(jù)信號(hào)MDIO組成。MII管理模塊則由時(shí)鐘生成模塊、移位寄存器模塊和輸出控制模塊三部分組成。

　　時(shí)鐘生成模塊可以根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)設(shè)置中的分頻系數(shù)來產(chǎn)生MII 管理模塊的時(shí)鐘信號(hào)MDC（10 Mbps速率時(shí)為2.5 MHz， 100 Mbps速率時(shí)為25 MHz）。移位寄存器模塊既可用于對(duì)PHY的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入操作，也可用于對(duì)PHY的狀態(tài)信息進(jìn)行讀出操作。寫控制數(shù)據(jù)時(shí)，移位寄存器根據(jù)其他模塊的控制信號(hào)將并行控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；而在讀狀態(tài)信息時(shí)，移位寄存器則將PHY的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，MAC中的其他模塊可將該并行數(shù)據(jù)寫入適當(dāng)?shù)募拇嫫鳌?/p>

　　由于MDIO是雙向信號(hào)，因此輸出控制模塊就用來決定MDIO是處于輸入狀態(tài)還是輸出狀態(tài)。當(dāng)MDIO處于輸出狀態(tài)時(shí)，移位寄存器輸出的串行控制數(shù)據(jù)在經(jīng)過時(shí)鐘同步后發(fā)送到PHY；當(dāng)MDIO處于輸入狀態(tài)時(shí)，移位寄存器將數(shù)據(jù)線上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)

　　4）主機(jī)接口模塊

　　主機(jī)接口是運(yùn)行以太網(wǎng)的上層協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）與MAC控制器的接口。通過該接口，上層協(xié)議可以設(shè)置MAC的工作模式并讀取MAC的狀態(tài)信息。該接口還可用于上層協(xié)議與MAC之間的數(shù)據(jù)交換。

　　主機(jī)接口模塊內(nèi)有一組寄存器，可用于存儲(chǔ)上層協(xié)議對(duì)MAC設(shè)置的參數(shù)以及MAC的狀態(tài)信息。上層協(xié)議對(duì)MAC設(shè)置的參數(shù)包括接收超短幀的使能、添加填充碼使能、發(fā)送超長幀的使能、添加CRC校驗(yàn)值使能、全雙工模式或半雙工模式、持超長延遲使能、混雜模式

　?。≒romiscuous）、接收廣播幀使能、發(fā)送和接收使能、中斷源和中斷使能、幀間間隙的長度、最大幀和最小幀的長度、重試限制和沖突時(shí)間窗、MII地址和MII控制命令、接收和發(fā)送隊(duì)列的長度以及本機(jī)MAC地址等。

　　上層協(xié)議通過MAC發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的操作主要由主機(jī)接口模塊內(nèi)的兩個(gè)隊(duì)列來進(jìn)行管理，這兩個(gè)隊(duì)列用于對(duì)等待發(fā)送的多個(gè)幀和接收到的多個(gè)幀進(jìn)行排隊(duì)。發(fā)送隊(duì)列主要記錄等待發(fā)送的幀的相關(guān)信息、發(fā)送該幀時(shí)對(duì)MAC的設(shè)置以及該幀發(fā)送完之后產(chǎn)生的狀態(tài)信息。幀的相關(guān)信息包括幀的長度、幀在外部存儲(chǔ)器中的地址、該幀是否準(zhǔn)備好發(fā)送以及隊(duì)列中是否還有其它幀等待發(fā)送；對(duì)MAC的設(shè)置則包括中斷使能、填充使能、CRC使能；產(chǎn)生的狀態(tài)信息包括成功發(fā)送之前的重試次數(shù)、由于達(dá)到重試限制而放棄發(fā)送、發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的滯后沖突以及成功發(fā)送之前發(fā)生過的延遲。

　　接收隊(duì)列主要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行排隊(duì)并記錄每個(gè)接收到的幀信息。這些信息包括幀的長度、是控制幀還是普通數(shù)據(jù)幀、幀中包含無效符號(hào)、接收到的幀太長或太短、發(fā)生CRC錯(cuò)誤、接收的過程中發(fā)生滯后沖突、幀是否接收完、隊(duì)列中是否還有其它已接收到的幀以及幀存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中的地址等。同時(shí)隊(duì)列中還有針對(duì)每個(gè)幀的設(shè)置位，用來設(shè)置是否在接收到幀時(shí)產(chǎn)生中斷。發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列的長度都可以在控制寄存器中進(jìn)行設(shè)置。