怎樣去設(shè)計一種基于FPGA的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸硬件？

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸硬件設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 設(shè)計思想

本文研究的是基于FPGA的以太網(wǎng)的MAC層數(shù)據(jù)處理，目的是能廣泛應(yīng)用于多種嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的前端設(shè)計，如網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備、IP數(shù)字電視設(shè)備、家庭智能設(shè)備等。根據(jù)FPGA的可重復(fù)擦寫編程的特點，采用FPGA可以方便對設(shè)備的升級和維護。本文為了設(shè)計能滿足于各種不同的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，和增強系統(tǒng)的可移植性，采取了一系列的措施。

首先，考慮到以太網(wǎng)高速而又龐大的數(shù)據(jù)量，尤其是載有音視頻流的1000M網(wǎng)絡(luò)，以及開發(fā)的成本問題，我們引入了一種針對普通產(chǎn)品開發(fā)的Xilinx芯片——Spartan系列。FPGA具有并行執(zhí)行的特點，相對于其他器件在數(shù)據(jù)處理上具有明顯的速度上的優(yōu)勢，同時Spartan系列FPGA擁有幾百Kb甚至幾千Kb的塊RAM資源，可用于數(shù)據(jù)的緩存，完全可以滿足于1000M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)量的要求。在FPGA的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中，常常會采用某些具有特定功能的IP核以提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少成本?？紤]到開發(fā)周期和設(shè)計要求，本系統(tǒng)設(shè)計方案采用Xilinx公司的Tri Mode Ethernet MAC IP核實現(xiàn)對MAC數(shù)據(jù)的主要處理工作，該IP核支持多種工作模式，同時用戶可以根據(jù)要求實現(xiàn)自定義配置。其次，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的IP地址和MAC地址的自動映射，本系統(tǒng)還增加了對ARP數(shù)據(jù)包的解析和ARP應(yīng)答功能的設(shè)計。除此之外，為了提高系統(tǒng)的通用性，物理芯片需能夠支持1000/100/10M以太網(wǎng)、雙工/半雙工工作模式以及1000M光纖的接入。

1.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)以述的設(shè)計思想，為了滿足大部分設(shè)備對以太網(wǎng)的MAC數(shù)據(jù)處理的需求，確定了本系統(tǒng)設(shè)計的功能如下：

(1)支持10M/100M/1000M以太網(wǎng)；

(2)支持雙工/半雙工；

(3)CRC校驗和幀長度校驗；

(4)MAC地址濾波；

(5)支持ARP解析；

(6)支持RJ45標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口和SFP插口的輸入；

(7)支持I2C接口用戶配置。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計思想，圖3-1給出了本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)可分為五大模塊：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、PHY接口模塊、MAC核心處理模塊、用戶配置模塊和用戶數(shù)據(jù)接口模塊。

圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

（1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換電路

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換電路，主要功能是實現(xiàn)雙絞線或光纖電纜的以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)與MAC層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，為FPGA提供處理的MAC數(shù)據(jù)源和送出FPGA的上傳MAC數(shù)據(jù)，是傳輸介質(zhì)和FPGA數(shù)據(jù)交流的橋梁。

（2）PHY接口模塊

PHY接口模塊，可分為接收PHY和發(fā)送PHY接口兩個子模塊，實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的同步。

（3）MAC核心處理模塊

根據(jù)以上設(shè)計思想，MAC數(shù)據(jù)的核心處理模塊直接采用Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC IP核，可以完成MAC地址濾波、數(shù)據(jù)CRC和長度校驗、封裝MAC數(shù)據(jù)幀格式等基本功能，對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的好壞標(biāo)記和對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝標(biāo)記。

（4）用戶配置模塊

用戶配置模塊主要是實現(xiàn)主控系統(tǒng)正確地完成對IP核寄存器和系統(tǒng)地址信息（IP地址和MAC地址）的配置，同時實時地監(jiān)控IP核的工作狀態(tài)。該模塊可分為I2C接口和IP核配置兩個子模塊，I2C接口子模塊采用400Kb/s的I2C總線協(xié)議，模擬從設(shè)備I2C時序；IP核配置子模塊模擬IP核HOST配置時序，以實現(xiàn)對IP核寄存器的配置。

（5）用戶數(shù)據(jù)接口模塊

用戶數(shù)據(jù)接口模塊涉及對通過IP核處理后的接收數(shù)據(jù)幀和待上傳的數(shù)據(jù)包兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理以及ARP功能的實現(xiàn)，可分為接收數(shù)據(jù)用戶接口、上傳數(shù)據(jù)用戶接口、ARP解析與應(yīng)答三個子模塊。

芯片的選取

2.1 物理層芯片選擇

以太網(wǎng)物理層的處理工作大多數(shù)直接采用專業(yè)的物理層芯片來完成，完成數(shù)據(jù)的物理層編解碼和收發(fā)功能。目前，物理層芯片的生產(chǎn)商以國外為主，如Marvell、NS、Broadcom公司等，其主流產(chǎn)品為100/10M和1000M物理層芯片，隨著以太網(wǎng)的速率的提高，萬兆物理層芯片也被廣泛應(yīng)用于光纖以太網(wǎng)。國內(nèi)對芯片的研發(fā)起步比較晚，華為、中興、天津中晶微電子等企業(yè)近些年也推出了不少的產(chǎn)品，但是技術(shù)還有待發(fā)展。

88E1111芯片是Marvell公司Alaska系列的一款千兆以太網(wǎng)收發(fā)器，主要應(yīng)用于10Base-T、100Base-TX、1000Base-T的以太網(wǎng)，采用CMOS工藝，能實現(xiàn)基于CAT5非屏蔽雙絞線標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)的收發(fā)。88E1111支持多種MAC接口模式，有GMII/MII、RGMII、SGMII、TBI和RTBI，是一款應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)物理層芯片。

88E1111芯片采用了Marvell公司的VCT（Virtual Cable Tester，虛擬電纜測試儀）功能，可以使用時域反射技術(shù)遠(yuǎn)程測試電纜故障，減少了設(shè)備應(yīng)答和服務(wù)請求的次數(shù)，同時還能通過VCT檢測線纜潛在的問題和線纜的開路、短路或阻抗不匹配問題，準(zhǔn)確度能達(dá)到一米。另外，88E1111芯片具有先進(jìn)的混合信號處理能力，可以以1Gbps的速率完成自適應(yīng)均衡、消除反射或串?dāng)_、數(shù)據(jù)恢復(fù)、誤碼糾正等功能，是一款抗噪聲能力強的低功耗以太網(wǎng)物理層芯片。

88E1111芯片中嵌入了一個可選的1.25GHzSERDES（并串轉(zhuǎn)換/串并轉(zhuǎn)換器），可以直接與光纖收發(fā)器連接，實現(xiàn)1000Base-X光纖標(biāo)準(zhǔn)與1000Base-T雙絞線標(biāo)準(zhǔn)傳輸媒體的轉(zhuǎn)換。通過選擇，88E1111可以通過RJ45接口接入1000Base-T雙絞線網(wǎng)絡(luò)或SFP（小型可插拔）模塊接入光纖網(wǎng)絡(luò)，分別如圖3-2和3-3所示。

圖3-2 88E1111接入雙絞線網(wǎng)絡(luò)

圖3-3 88E1111接入光纖網(wǎng)絡(luò)

除了以上所述，88E1111芯片還支持光纖與銅線自動檢測、網(wǎng)絡(luò)連接的自動協(xié)商、可編程的LED驅(qū)動等功能，方便了用戶對以太網(wǎng)接入的開發(fā)。

根據(jù)本文系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，以太網(wǎng)物理層芯片需滿足同時支持RJ45和SFP兩種接口，10Base-T、100Base-TX、1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)雙絞線和千兆光纖介質(zhì)的傳輸，半雙工和雙工切換的工作模式。Marvell公司的以太網(wǎng)物理層芯片88E1111，采用0.13μm的CMOS工藝，是一款低成本、低功耗的千兆以太網(wǎng)物理層芯片，足以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求

2.2 FPGA主芯片選擇

在FPGA的開發(fā)設(shè)計中，F(xiàn)PGA芯片的選取非常重要，不合理的選取會導(dǎo)致一系列的后續(xù)設(shè)計問題，甚至?xí)?；合理的選取不僅避免設(shè)計問題，而且可以提高系統(tǒng)的性價比，延長產(chǎn)品的生命周期。通常，F(xiàn)PGA芯片選取需從芯片的供貨商和開發(fā)工具的支持、電氣接口標(biāo)準(zhǔn)、硬件資源、速度等級、溫度等級、封裝形式、價格七個方面入手。

（1）供貨商和開發(fā)工具的支持

目前，主要的FPGA供應(yīng)商有Xilinx公司、Altera公司、Lattice公司和Actel公司等，F(xiàn)PGA的發(fā)展迅速，器件的淘汰率隨之提高，為了延長產(chǎn)品的生命周期，最好選擇貨源比較足的主流器件。

從開發(fā)工具來看，Xilinx公司的ISE和Altera公司的QuartusⅡ，更新及時、功能強大、界面友好，支持本公司所有器件的設(shè)計開發(fā)和很多第三方軟件的應(yīng)用，如Synplify Pro、ModleSim等，能將器件的性能發(fā)揮到最佳。因此，一般在沒有特殊要求情況下，器件從這兩家公司中選取。

雖然Altera公司的開發(fā)智能程度相對Xilinx公司要高一些，但Xilinx公司具有更強的硬件功能，通過IP核的使用可以達(dá)到更高的效率。目前，Xllinx公司的主流器件有Spartan-3、Spartan-3A/3ADSP/3AN、Virtex-4LX、Virtex-4SX、Virtex-4FX、Virtex-5LX、Virtex-5SX、Virtex-5FX、Spartan-6和Virtex-6等系列，其中Spartan-3系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計；Spartan-3A/3ADSP/3AN主要應(yīng)用于簡單數(shù)字信號處理，Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計，Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要應(yīng)用于高速復(fù)雜數(shù)字信號處理，Virtex-4FX和Virtex-5FX系列主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。本設(shè)計只需要對MAC數(shù)據(jù)幀做簡單的邏輯處理和緩存等等，Spartan-3系列器件足以滿足這一需求。

（2）芯片的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)

目前，數(shù)字電路的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)非常多，在某些大型的系統(tǒng)設(shè)計中常常需要同時支持多種電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計中的FPGA的接口電氣標(biāo)準(zhǔn)只采用了LVCMOS2.5V和LVCMOS3.3V，Xilinx公司的絕大部分器件均能夠滿足。

（3）硬件資源

硬件資源是FPGA芯片選取的重要指標(biāo)，包括邏輯資源、I/O資源、布線資源、存儲器資源和某些底層內(nèi)嵌功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等。在FPGA設(shè)計中，I/O資源和邏輯資源的需求是最需要重點考慮的問題。邏輯資源一般要求消耗的資源不超過70%，主流FPGA器件中，邏輯資源都比較豐富，比較容易選擇。I/O資源需要注意的是避免過度的消耗，因為過度的消耗可能會導(dǎo)致FPGA負(fù)荷過重，器件發(fā)熱量過大，以影響器件的速度性能、工作穩(wěn)定性和壽命，設(shè)計中也要充分考慮器件的散熱問題。另外，局部布線資源也要充足，以免影響電路的運行速度。在一些特殊場合，特別是數(shù)據(jù)量比較大的情況下，還得考慮存儲器資源，如BRAM或LUT資源。還有鎖相環(huán)、DSP等底層內(nèi)嵌功能單元或內(nèi)嵌專用硬核可以根據(jù)具體的設(shè)計作為參考需求。

（4）速度等級

對于芯片速度等級的選取，有一個基本原則：在滿足應(yīng)用需求的情況下，盡量選擇速度等級低的芯片。因為速度等級高的芯片更容易產(chǎn)生信號反射，增加價格成本，延長開發(fā)周期。本設(shè)計的主時鐘最高位125M，XC3S400芯片具有-4和-5兩個速度等級，-4等級的最高可以達(dá)到250M，為節(jié)約成本，選取的芯片采用-4等級。

硬件電路設(shè)計

3.1 以太網(wǎng)變換電路設(shè)計

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)變換電路，實現(xiàn)的是以太網(wǎng)傳輸媒介上的物理層數(shù)據(jù)與MAC層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，為FPGA提供待處理的MAC數(shù)據(jù)源和輸出待上傳的MAC數(shù)據(jù)，本設(shè)計主要是選擇物理層專業(yè)芯片88E1111完成這一功能，其電路設(shè)計包括以下幾個方面：

（1）電源與時鐘電路設(shè)計

88E1111芯片支持兩種電平：2.5V和1.0V，有時也可用1.2V代替1.0V。如圖3-4所示為芯片的電源電路圖，PHY_VDDIO采用2.5V，為芯片I/O引腳供電，與芯片引腳VDDO、VDDOH、VDDOX相連；PHY1_AVDD提供內(nèi)部模擬邏輯電平，為2.5V，與AVDD引腳相連；PHY1_DVDD提供內(nèi)部數(shù)字邏輯電平

圖3-488E1111芯片電源電路

為1.0V，與DVDD引腳相連。為了提高電源的穩(wěn)定性，電源PHY_VDDIO、

PHY1_AVDD、PHY1_DVDD需接入一些濾波電容，以減少電源噪聲。

88E1111芯片對數(shù)據(jù)的處理需要有一個參考時鐘，一般通過XAT1引腳輸入25M或125M的參考時鐘，或通過XAT1和XAT2直接接一個晶振。本設(shè)計采用XAT1引腳輸入25M的時鐘，以減少晶振的使用數(shù)量，如圖3-5所示，CLK_25M_PHY1與XAT1引腳相連，提供25M的時鐘；為了保證電路的可調(diào)性，同時在XAT1和XAT2的兩端添加一個晶振，作為參考時鐘的備用方案。

圖3-588E1111芯片時鐘電路

（2）配置電路設(shè)計

在88E1111的芯片設(shè)計中，器件物理地址、PHY操作模式、自動協(xié)商模式、MDI（Media Dependent Interface，媒介相關(guān)接口）交叉功能、PHY接口模式等的配置需通過芯片CONFIG0~CONFIG6引腳硬件配置來實現(xiàn)，CONFIG0~CONFIG6引腳配置位映射關(guān)系表和各配置寄存器的定義描述分別如表3-3和表3-4所示。

在硬件電路設(shè)計中，CONFIG0~CONFIG6配置位的選擇通常是通過與LED輸出引腳、VDDO或者VSS引腳的連接來完成的，其各引腳與配置位的映射關(guān)系如表3-5所示。

為了方便開發(fā)設(shè)計，本設(shè)計將芯片地址設(shè)置為00000，屏蔽PAUSE幀，同時使能MDI交叉連接、光纖與銅線接入自動識別、能量檢測功能，其自動協(xié)商支持所有網(wǎng)路模式；125MHz的數(shù)據(jù)發(fā)送的參考時鐘由FPGA提供，125MHz時

表3-3CONFIG0~CONFIG6引腳配置位映射關(guān)系表

表3-4各配置寄存器定義描述

表3-5各引腳與配置位的映射關(guān)系

鐘輸出設(shè)置為無效；IPQAM項目的CPU對從設(shè)備的寄存器配置采用的是I2C總線方式，因此88E1111需配置成I2C從模式；PHY接口采用GMII/MII模式，減少FPGA對時鐘的時序要求。因此，如圖3-6配置電路圖所示，默認(rèn)情況下將CONFIG0~CONFIG6引腳分別配置為000、000、111、111、111、001、110。但是為了系統(tǒng)的升級維護，對CONFIG1、CONFIG4、CONFIG5、CONFIG6引腳設(shè)置了配置保留值，根據(jù)不同的需求本系統(tǒng)可以支持PAUSE幀的傳輸、RGMII的PHY 接口、MDC/MDIO寄存器配置等工作模式。

圖3-6 88E1111配置電路

（3）RJ45接口和SFP接口電路設(shè)計

本系統(tǒng)支持普通雙絞線和光纖兩種媒介接入方式，雙絞線的接入采用通用的RJ45接口，其電路圖如圖3-7所示，88E1111芯片的四對MDI引腳直接與HX5008NL芯片的四對TD引腳相連，實現(xiàn)與RJ45接口的連接，完成雙絞線與88E1111芯片的數(shù)據(jù)交換；光纖的接入采用SFP接口，其電路圖如圖3-8所示，88E1111芯片的S_IN±引腳與SFP接口芯片的RD±引腳相連，接收光纖電纜上的數(shù)據(jù)；S_OUT±引腳與TD±引腳相連，完成本地的數(shù)據(jù)的輸出；同時SFP接口芯片采用I2C配置模式，與系統(tǒng)設(shè)計一致。

圖3-7 RJ45接口電路

圖3-8 SFP接口電路

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