三、基于FPGA的千兆以太網(wǎng)MAC控制器實現(xiàn)方案

　　1．整體設(shè)計方案

　　以太網(wǎng)控制器的FPGA設(shè)計工作包括以太網(wǎng)MAC子層的FPGA設(shè)計、MAC子層與上層協(xié)議的接口設(shè)計以及MAC與物理層（PHY）的MII接口設(shè)計。該以太網(wǎng)控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖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管理模塊提供了標準的IEEE 802.3介質(zhì)獨立接口，可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層與物理層。主機接口則提供以太網(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。

　　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)送模塊可接收主機接口模塊的數(shù)據(jù)幀開始和數(shù)據(jù)幀結(jié)束標志，并通過主機接口從外部存儲器中讀取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行封裝，再通過 PHY提供的載波偵聽和沖突檢測信號，在信道空閑時由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）、隨機數(shù)生成模塊（random_gen）、發(fā)送計數(shù)模塊（tx_cnt）和發(fā)送狀態(tài)機（tx_statem_machine）模塊等四個主要子模塊組成，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)機由Idle_State、Preamble_State、Data0_State、Data1_State、PAD_State、 FCS_State、IPG_State、Jam_State、BackOff_State、Defer_State 等十個狀態(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)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　系統(tǒng)復(fù)位后，發(fā)送模塊即進入Defer_State狀態(tài)，并一直檢測載波偵聽（CarrierSense）信號。當載波偵聽信號變成無效（表示信道空閑）時，狀態(tài)機進入IPG_State狀態(tài)。此后，在等待一個幀間間隙之后，狀態(tài)機進入Idle_State狀態(tài)。如果在幀間間隙的前2/3個周期檢測到信道忙信號，狀態(tài)機將重新回到Defer_State狀態(tài)。

　　狀態(tài)機進入Idle_State狀態(tài)之后，發(fā)送模塊將檢測載波偵聽信號和主機接口的發(fā)送請求。若主機模塊請求發(fā)送，狀態(tài)機將進入Preamble_State狀態(tài)，發(fā)送模塊即通知PHY發(fā)送開始，同時開始發(fā)送前序碼（7個0x5）， 然后發(fā)送幀起始定界符（SFD， 0xd）。狀態(tài)機進入Data0_State后，發(fā)送模塊將發(fā)送一個數(shù)據(jù)字節(jié)的低4位（LSB nibble），當其進入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)機一直在data0和data1之間循環(huán)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。當還剩一個字節(jié)時，主機模塊將通過發(fā)送幀結(jié)束信號來通知發(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)機就進入FCS_State狀態(tài)，此時發(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)機進入Defer_State 狀態(tài)，之后是IPG_State和Idle_State狀態(tài)。此后狀態(tài)機又回到初始狀態(tài)，以重新等待新的發(fā)送請求。如果數(shù)據(jù)幀的長度小于最短幀，狀態(tài)機就進入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)機進入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)機就進入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)機直接進入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)送模塊會一直檢查沖突檢測信號（collision detected）。如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機正處于Preamble_State，狀態(tài)機將在發(fā)送完前序碼和SFD之后進入Jam_State，并發(fā)送擁塞碼，然后進入BackOff狀態(tài)，以等待重試。之后，狀態(tài)機經(jīng)過Defer和IPG回到Idle狀態(tài)。如果此時重試次數(shù)計數(shù)器的值沒有達到額定值，發(fā)送模塊將重新開始發(fā)送剛才的幀，并將重試次數(shù)計數(shù)器的值加1；如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機處于data0、data1或FCS狀態(tài)，而且沒有超過沖突時間窗，那么狀態(tài)機將馬上進入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)生沖突的時間超過了沖突時間窗，狀態(tài)機將進入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，不會進行延遲（defer）， 發(fā)送的過程中也不會產(chǎn)生沖突。此時，發(fā)送模塊將忽略PHY的載波偵聽和沖突檢測信號。當然，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)機沒有Jam_State、BackOff_State、Defer_State三個狀態(tài)。

　　2）MAC接收模塊

　　MAC 接收模塊結(jié)構(gòu)如圖10-33所示，負責數(shù)據(jù)幀的接收。當外部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)過地址識別、CRC校驗、長度判斷等操作后，再通過主機接口寫入外部存儲器，并在主機接口模塊的接收隊列中記錄幀的相關(guān)信息。此外，接收模塊還負責前序碼和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)機由Idle_State、Drop_State、Preamble_State、SFD_State、Data0_

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

　　圖5? 接收狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　當接收模塊檢測到數(shù)據(jù)有效信號之后，，狀態(tài)機將進入Preamble_State，并開始接收前序碼。此后狀態(tài)機進入SFD_State，接收一個字節(jié)的幀起始定界符，之后根據(jù)IFGcnt計數(shù)器的值進入不同的狀態(tài)。如果IFGcnt所確定的時間大于96個比特時間，狀態(tài)機將進入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)機就一直在這兩個狀態(tài)之間循環(huán)，直到數(shù)據(jù)接收完畢（PHY清除 MRxDV信號）后進入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，IFGcnt計數(shù)器所確定的時間小于96個比特時間，那么狀態(tài)機將進入Drop_State狀態(tài)，并一直維持該狀態(tài)直到數(shù)據(jù)有效信號結(jié)束（PHY清除MRxDV信號）。之后，狀態(tài)機再回到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)有效信號被清除，那么狀態(tài)機將回到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PHY進行配置并讀取其狀態(tài)信息。該接口由時鐘信號MDC和雙向數(shù)據(jù)信號MDIO組成。MII管理模塊則由時鐘生成模塊、移位寄存器模塊和輸出控制模塊三部分組成。

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

　　由于MDIO是雙向信號，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MDIO處于輸出狀態(tài)時，移位寄存器輸出的串行控制數(shù)據(jù)在經(jīng)過時鐘同步后發(fā)送到PHY；當MDIO處于輸入狀態(tài)時，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）主機接口模塊

　　主機接口是運行以太網(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。

　　主機接口模塊內(nèi)有一組寄存器，可用于存儲上層協(xié)議對MAC設(shè)置的參數(shù)以及MAC的狀態(tài)信息。上層協(xié)議對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

　　（Promiscuous）、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、重試限制和沖突時間窗、MII地址和MII控制命令、接收和發(fā)送隊列的長度以及本機MAC地址等。

　　上層協(xié)議通過MAC發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的操作主要由主機接口模塊內(nèi)的兩個隊列來進行管理，這兩個隊列用于對等待發(fā)送的多個幀和接收到的多個幀進行排隊。發(fā)送隊列主要記錄等待發(fā)送的幀的相關(guān)信息、發(fā)送該幀時對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、幀在外部存儲器中的地址、該幀是否準備好發(fā)送以及隊列中是否還有其它幀等待發(fā)送；對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)、由于達到重試限制而放棄發(fā)送、發(fā)送時產(chǎn)生的滯后沖突以及成功發(fā)送之前發(fā)生過的延遲。

　　接收隊列主要對接收到的數(shù)據(jù)幀進行排隊并記錄每個接收到的幀信息。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、接收到的幀太長或太短、發(fā)生CRC錯誤、接收的過程中發(fā)生滯后沖突、幀是否接收完、隊列中是否還有其它已接收到的幀以及幀存儲在外部存儲器中的地址等。同時隊列中還有針對每個幀的設(shè)置位，用來設(shè)置是否在接收到幀時產(chǎn)生中斷。發(fā)送隊列和接收隊列的長度都可以在控制寄存器中進行設(shè)置。