基于Xilinx FPGA的千兆以太網控制器的開發

　　1．千兆以太網技術簡介

　　以太網技術是當今應用廣泛的網絡技術，千兆以太網技術繼承了以往以太網技術的許多優點，同時又具有許多新的特性，例如傳輸介質包括光纖和銅纜，使用8B/10B的編解碼方案，采用載波擴展和分組突發技術等。正是因為具有良好的繼承性和許多優秀的新特性，千兆以太網已經成為目前局域網的主流解決方案。

　　千兆以太網利用了原以太網標準所規定的全部技術規范，其中包括CSMA/CD協議、以太網幀、全雙工、流量控制以及IEEE 802.3標準中所定義的管理對象。千兆以太網的關鍵技術是千兆以太網二層（MAC層）的交換與以太網接口的實現。隨著多媒體應用的普及，千兆以太網必將成為各類以太網技術的主力軍。

　　2．Xilinx的千兆以太網解決方案

　　1）IP的支持

　　Xilinx提供了可參數化的10/1Gbps以太網媒體訪問控制器功能LogiCORE解決方案。該核設計用來同最新的Virtex-5、Virtex-4和Virtex-II Pro平臺FPGA一起工作，并可以無縫集成到Xilinx設計流程中。吉比特級以太網媒體訪問控制器核（GEMAC）是針對1Gb/s（Gbps）以太網媒體訪問控制器功能的可參數化的LogiCORE IP解決方案。GEMAC核的設計符合 IEEE 802.3-2002規范。GWMAC核支持兩個PHY端接口選項：GMII或RGMII。并且，Xilinx 全面的1Gb/s以太網解決方案包含吉比特MAC和PCS/PMA IP核產品。Xilinx吉比特以太網MAC解決方案還包括帶有內置處理器本地總線（PLB）接口（PLB GEMAC）的配置。該配置通過Xilinx嵌入式開發套件（EDK）提供。GEMAC LogiCORE IP可以實現與1000 Base-X PCS/PMA或SGMII核的無縫集成，并提供3種選項用來與PHY器件接口：1000 BASE-X或10位接口（TBI）或SGMII。

　　GEMAC核非常適合開發高密度吉比特級以太網通信和存儲設備，其關鍵特性有：

• 　　單速全雙工11 Gbps MAC控制器；
• 　　設計符合IEEE 802.3-2002規范；
• 　　具有最小緩沖的直通操作，以最大限度地實現客戶端接口的靈活性；
• 　　通過可選的獨立微處理器中的接口進行配置和監控；
• 　　直接與以太網統計數據核接口，以便實現功能強大的統計數據收集；
• 　　通過MAC控制暫停幀實現對稱的或非對稱的可選的流程控制；
• 　　VLAN幀的可選技術支持符合IEEE 802.3-2002規范的要求；
• 　　支持任意長度的“jumbo幀”（可選）；
• 　　可選的地址濾波器，具有數量可選的地址表輸入。

　　2）相應的開發板套件

　　Xilinx提供的千兆以太網開發套件為Virtex-5 ML505/ML506開發板（使用的FPGA芯片為：XC5VLX50T-1FF1136），該開發板支持10/100兆、1/10吉以太網，加上Xilinx公開的基于ML505/506的設計，可為基于以太網開發的設計提供全方位的參考。此外，ML505/506還具備SFP、PCI E、SATA以及SMA接口等其余吉比特接口，是學習和研發高速連接設備的理想平臺。

　　10.4.2 基于FPGA的千兆以太網MAC控制器實現方案

　　1．整體設計方案

　　以太網控制器的FPGA設計工作包括以太網MAC子層的FPGA設計、MAC子層與上層協議的接口設計以及MAC與物理層（PHY）的MII接口設計。該以太網控制器的總體結構設計框圖如圖10-30所示。整個系統分為發送模塊、接收模塊、MAC狀態模塊、MAC控制模塊、MII管理模塊和主機接口模塊六部分。發送模塊和接收模塊主要提供MAC幀的發送和接收功能，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據接口。在實現中物理層處理直接利用商用的千兆PHY芯片，主要開發量集中在MAC控制器的開發上。

圖10-30 以太網控制器的結構設計框圖

　　MAC控制模塊則用于執行全雙工模式中的流量控制功能。MAC狀態模塊可用來監視MAC操作過程的各種狀態信息，并作修改。MII管理模塊提供了標準的IEEE 802.3介質獨立接口，可用于連接以太網的鏈路層與物理層。主機接口則提供以太網控制器與上層協議（如TCP/IP協議）之間的接口，以用于數據的發送、接收以及對控制器內各種寄存器（控制、狀態和命令寄存器）的設置。