第4节 基于Xilinx FPGA的千兆以太网控制器的开发
以太网技术是当今应用广泛的网络技术，千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优点，同时又具有许多新的特性，例如传输介质包括光纤和铜缆，使用8B/10B的编解码方案，采用载波扩展和分组突发技术等。正是因为具有良好的继承性和许多优秀的新特性，千兆以太网已经成为目前局域网的主流解决方案。
千兆以太网利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象。千兆以太网的关键技术是千兆以太网二层（MAC层）的交换与以太网接口的实现。随着多媒体应用的普及，千兆以太网必将成为各类以太网技术的主力军。
2．Xilinx的千兆以太网解决方案
1）IP的支持
Xilinx提供了可参数化的10/1Gbps以太网媒体访问控制器功能LogiCORE解决方案。该核设计用来同最新的Virtex-5、Virtex-4和Virtex-II Pro平台FPGA一起工作，并可以无缝集成到Xilinx设计流程中。吉比特级以太网媒体访问控制器核（GEMAC）是针对1Gb/s（Gbps）以太网媒体访问控制器功能的可参数化的LogiCORE IP解决方案。GEMAC核的设计符合 IEEE 802.3-2002规范。GWMAC核支持两个PHY端接口选项：GMII或RGMII。并且，Xilinx 全面的1Gb/s以太网解决方案包含吉比特MAC和PCS/PMA IP核产品。Xilinx吉比特以太网MAC解决方案还包括带有内置处理器本地总线（PLB）接口（PLB GEMAC）的配置。该配置通过Xilinx嵌入式开发套件（EDK）提供。GEMAC LogiCORE IP可以实现与1000 Base-X PCS/PMA或SGMII核的无缝集成，并提供3种选项用来与PHY器件接口：1000 BASE-X或10位接口（TBI）或SGMII。
GEMAC核非常适合开发高密度吉比特级以太网通信和存储设备，其关键特性有：
- 单速全双工11 Gbps MAC控制器；
- 设计符合IEEE 802.3-2002规范；
- 具有最小缓冲的直通操作，以最大限度地实现客户端接口的灵活性；
- 通过可选的独立微处理器中的接口进行配置和监控；
- 直接与以太网统计数据核接口，以便实现功能强大的统计数据收集；
- 通过MAC控制暂停帧实现对称的或非对称的可选的流程控制；
- VLAN帧的可选技术支持符合IEEE 802.3-2002规范的要求；
- 支持任意长度的“jumbo帧”（可选）；
- 可选的地址滤波器，具有数量可选的地址表输入。
2）相应的开发板套件
Xilinx提供的千兆以太网开发套件为Virtex-5 ML505/ML506开发板（使用的FPGA芯片为：XC5VLX50T-1FF1136），该开发板支持10/100兆、1/10吉以太网，加上Xilinx公开的基于ML505/506的设计，可为基于以太网开发的设计提供全方位的参考。此外，ML505/506还具备SFP、PCI E、SATA以及SMA接口等其余吉比特接口，是学习和研发高速连接设备的理想平台。
10.4.2 基于FPGA的千兆以太网MAC控制器实现方案
1．整体设计方案
以太网控制器的FPGA设计工作包括以太网MAC子层的FPGA设计、MAC子层与上层协议的接口设计以及MAC与物理层（PHY）的MII接口设计。该以太网控制器的总体结构设计框图如图10-30所示。整个系统分为发送模块、接收模块、MAC状态模块、MAC控制模块、MII管理模块和主机接口模块六部分。发送模块和接收模块主要提供MAC帧的发送和接收功能，其主要操作有MAC帧的封装与解包以及错误检测，它直接提供了到外部物理层芯片的并行数据接口。在实现中物理层处理直接利用商用的千兆PHY芯片，主要开发量集中在MAC控制器的开发上。
图10-30 以太网控制器的结构设计框图
MAC控制模块则用于执行全双工模式中的流量控制功能。MAC状态模块可用来监视MAC操作过程的各种状态信息，并作修改。MII管理模块提供了标准的IEEE 802.3介质独立接口，可用于连接以太网的链路层与物理层。主机接口则提供以太网控制器与上层协议（如TCP/IP协议）之间的接口，以用于数据的发送、接收以及对控制器内各种寄存器（控制、状态和命令寄存器）的设置。
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