FPGA SGMII接口前導碼小于7個字節(jié)55的解決方案

在使用Xilinx FPGA芯片中SGMII IP核進行千兆以太網(wǎng)調(diào)試時，經(jīng)常會遇到以太網(wǎng)接口收到的前導碼長度不足7個字節(jié)55的情況，但這種情況確實正?，F(xiàn)象。這就要求在設計代碼處理前導碼時不能將55的個數(shù)作為判據(jù)，而是只要有55轉(zhuǎn)換為D5，就應該認為前導碼接收成功了。不了解前導碼的同學可以參看文章《你見過物理層的以太網(wǎng)幀長什么樣子嗎？》。

SGMII接口基本功能測試

SGMII接口（開啟自協(xié)商）調(diào)試分為三個步驟，先測試SGMII最基本功能仿真、再測試SGMII最基本功能自回環(huán)上板、最后直接測試開啟自協(xié)商功能后上板

1、測試SGMII基本功能仿真：

（1） 打開sgmii IP，將接口選擇為sgmii接口，關(guān)閉MDIO接口，其它選項默認，生成IP核；

（2） 根據(jù)IP核生成example design，將speed_is_10_100、speed_is_100設置為0（1000Mbps模式），將configuration_vector設置為5‘b00010（關(guān)閉SGMII自協(xié)商，開啟PMA回環(huán)，具體參考手冊63頁table2-39），將userclk2作為跟GMII接口同步的時鐘（用來驅(qū)動MAC GMII接口側(cè)，也可以用來驅(qū)動其它模塊）；

（3） 開啟仿真，測試自回環(huán)（也可以通過修改參數(shù)測試外環(huán)或2個SGMII互通），一般PMA回環(huán)要3.1ms左右才能通，外環(huán)或互通要3.5ms左右；

（4） 仿真時會發(fā)現(xiàn)gmii_rxd信號每隔一幀數(shù)據(jù)會少一個時鐘的前導碼如圖1，這個不用擔心，為正常現(xiàn)象，1G MAC仍然能正常接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生這個的具體原因不詳（手冊有介紹，不過內(nèi)容偏向于底層編碼原因，具體不太了解，手冊只是簡單說明了一下表面原因，手冊221頁說明此問題），同時有的數(shù)據(jù)幀gmii_rx_dv信號拉低后gmii_rx_er信號會拉高一個時鐘（對應的gmii_rxd數(shù)據(jù)為8‘h0f），如圖2，這個也不用擔心，手冊224頁對其有說明（具體說是為幀擴展），由于gmii_rx_er拉高處gmii_rx_dv拉低，所以不是幀錯誤（此處需要適當修改原版1G MAC的代碼，使1G MAC中g(shù)mii_rxd、gmii_rx_dv、gmii_rx_er同步打拍，原設計中沒有同步打拍）。

注意：SGMII開啟自協(xié)商后要仿真非常長時間才能互通（8.1ms），因此推薦直接上板。

2、測試SGMII基本功能上板：

（1）SGMII接口的independent_clock默認是200MHZ，可以用PLL生成，也可以查閱手冊修改IP內(nèi)部參數(shù)來設置為其它頻率，具體修改參考手冊36頁描述（修改后如何操作IP參考RapidIO調(diào)試手冊），只需修改一個參數(shù)就可以（修改時鐘頻率會影響仿真通過時間），如圖3；

（2）上板主要是測試PMA回環(huán)版（自帶激勵源），設置好約束文件，抓取關(guān)鍵信號，直接生成bit文件，上板測試，如果沒有通，看status_vector信號，查閱手冊65頁table2-41，查找原因。

3、測試SGMII自協(xié)商功能上板：

（1）將configuration_vector參數(shù)設置為5‘b100x0（開啟自協(xié)商功能，x表示可以測PMA回環(huán)，也可指直接接PHY進行測試），自協(xié)商參數(shù)使能信號an_restart_config設置為0（該信號上升沿代表自協(xié)商參數(shù)an_adv_config_vector有效，an_restart_config為0表示使用默認參數(shù)，如果想手動配置自協(xié)商參數(shù)，可以查閱手冊64頁table2-40）；

（2）生成bit文件并上板測試，并觀察狀態(tài)信號status_vector。

RGMII或SGMII調(diào)試中正常的“異?！眴栴}

1、參考資料

《pg047-gig-eth-pcs-pma》
《88e1512 data》
《AR8033d》

2、以太網(wǎng)接口使用場景介紹

《88e1512data》PHY芯片手冊中，標準的RGMII、SGMII接口的使用場景如下兩圖所示：

實際上，此處的10/100/1000Mbps Ethernet MAC代指的是標準的SGMII接口的MAC核和標準的RGMII接口的MAC核。而實驗室所用的MAC核為GMII接口形式的MAC核，因此實際上我們的應用場景變成了如下的兩圖：

此處的IDDR/ODDR原語、SGMII核主要功能是為實驗室MAC核提供標準的千兆GMII接口形式的數(shù)據(jù)源。在實驗的接口調(diào)試中，由于PHY芯片的各個功能模式設置、XILINX官方的SGMII核和IDDR/ODDR原語的特性不同，可能會出現(xiàn)一些問題。

3、PHY芯片功能模式設置

正常情況下，我們常用的PHY芯片功能模式有以下：
? 全雙工/半雙工模式
? 千兆/百兆/十兆模式
? 自協(xié)商速率/固定速率
? RGMII/SGMII模式
? 交叉線/直連線模式

當交換機出現(xiàn)無法連接網(wǎng)口（連接指示燈熄滅）、數(shù)據(jù)收發(fā)錯誤等問題時，可以通過VIO、MDIO來讀取PHY芯片相應功能的寄存器的值，來確定功能模式配置是否出現(xiàn)問題。

4、RGMII千兆模式常見問題

此問題詳細描述見文章：RGMII接口調(diào)試使用VIO讀取PHY寄存器值

標準的RGMII千兆接口，時鐘周期為125MHz，但是數(shù)據(jù)位寬為4位，采用在時鐘的上下邊沿采樣的方式，得到1Gbps帶寬，正常工作狀態(tài)的發(fā)送時序圖如下所示：

為了確保數(shù)據(jù)采樣的正確，時鐘的邊沿必須在數(shù)據(jù)的中間進行跳變。為了實現(xiàn)這種發(fā)送模式，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，控制發(fā)送時鐘，使其偏移90度（即延后2ns）。

但是有的PHY芯片中，可以選擇不同的工作模式，使得控制時鐘偏移2ns或者不偏移2ns（《88e1512》P252）。如果PHY芯片的工作模式是偏移了2ns,那我們就不用作偏移了，否則可能正好導致時鐘邊沿和數(shù)據(jù)跳邊沿對齊，出現(xiàn)錯誤；如果PHY芯片的工作模式是不偏移，則我們需要手動控制時鐘的偏移。RGMII數(shù)據(jù)的讀取同理，具體情況需要閱讀相應的PHY芯片手冊。

5、SGMII千兆模式下常見的“異?！眴栴}

參見《pg047-gig-eth-pcs-pma》P219，Xilinx官方的SGMII的IP核轉(zhuǎn)換出的GMII格式數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)兩種問題：
? 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀幀頭部分丟失一個前導碼；
? 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀F(xiàn)CS域結(jié)束后,tx_er信號拉高。

丟失前導碼情況，如下圖所示：

在這種情況下，前導碼由7個55,1個D5,變成了6個55，1個D5。某些MAC核是根據(jù)55跳變到D5這種情況下作操作的，所以數(shù)據(jù)直接進MAC核，不會出現(xiàn)問題。但是，在TTE交換機中，分流模塊、TT平面，可能是根據(jù)gmii_tx_en信號的上升沿開始作計數(shù)，從而提出TT_ID、TYPE/LENGTH域等數(shù)據(jù)，這就可能導致錯誤。并且，以太網(wǎng)幀發(fā)送時，需要發(fā)送7個55，1個D5格式的前導碼。因此，我們接收到這種數(shù)據(jù)幀時，需要將前導碼補齊，再將數(shù)據(jù)幀送入后續(xù)模塊進行處理。

FCS域結(jié)束后，tx_er信號拉高，如下圖所示：

由于可能的設計缺陷，某些MAC核，會將這種數(shù)據(jù)幀當作錯誤幀丟棄。解決辦法是，在數(shù)據(jù)幀的接收部分，對tx_er信號進行處理，當rx_dv信號為高時，tx_er仍然保持原值，當rx_dv信號為低時，tx_er信號直接置零。

編輯：hfy