基于Xilinx FPGA的千兆以太網(wǎng)控制器的開發(fā)

　　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(guò)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(guò)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(guò)PHY提供的載波偵聽和沖突檢測(cè)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10-31 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10-32 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(cè)載波偵聽（CarrierSense）信號(hào)。當(dāng)載波偵聽信號(hào)變成無(wú)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(cè)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(cè)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(guò)發(fā)送幀結(jié)束信號(hào)來(lái)通知發(fā)送模塊。如果數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度大于最大幀，而系統(tǒng)設(shè)置又支持發(fā)送超長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程中，發(fā)送模塊會(huì)一直檢查沖突檢測(cè)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(guò)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(méi)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(méi)有超過(guò)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(guò)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(cè)到發(fā)生沖突的時(shí)間超過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(méi)有Jam_State、BackOff_State、Defer_State三個(gè)狀態(tài)。