基于FPGA的UDP RGMII千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

01概述

本文總結(jié)一下前段時(shí)間完成的FPGA以太網(wǎng)通信功能。該方案參考了MILIANKE的設(shè)計(jì)，但在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了某些不必要的步驟以及解決了一些由于忽視細(xì)節(jié)導(dǎo)致的棘手的問(wèn)題。

02RGMII接口

本設(shè)計(jì)采用RGMII接口的88E1512芯片。RGMII接口的主要優(yōu)勢(shì)在于，它可以同時(shí)適用于1000M、100M、10M三種速率，并且接口占用引腳數(shù)較少。

RGMII 使用 4bit 數(shù)據(jù)接口采用上下沿 DDR（Double Data Rate）的方式在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸 8bit 數(shù)據(jù)信號(hào)，即上升沿發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的低4位[3:0]，下降沿發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的高4位[7:4]。同理，使用 1bit 控制接口采用 DDR 的方式在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸 2bit 控制信號(hào)。

• 發(fā)送端：tx_clk，tx_d[3:0]，tx_ctrl；
• 接收端：rx_clk，rx_d[3:0]，rx_ctrl；

圖1 RGMII接口

• 三種速率模式

MII接口適用于1000M、100M、10M三種傳輸速率。

當(dāng)工作于1000M 時(shí)，時(shí)鐘信號(hào) TXC 和 RXC 均為 125MHz，4bit數(shù)據(jù)信號(hào)上下沿值均有效，控制信號(hào)上下沿值也均有效。

當(dāng)工作于 100M時(shí)，時(shí)鐘信號(hào) TXC 和 RXC均為25MHz，4bit數(shù)據(jù)信號(hào)只有上升沿值[3:0]有效，相當(dāng)于此時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)切換為單沿SDR（Single Data Rata）4位輸模式。控制信號(hào)仍為上下沿有效。

當(dāng)工作于10M時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)TXC和RXC均為2.5MHz，數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的使用和100M速率時(shí)完全相同。

03UDP通信方案

該以太網(wǎng)通信方案如圖2所示，最上層為用戶邏輯模塊，用于處理和使用解析后的以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)；uiudp_stack模塊采用MILIANKE提供的協(xié)議棧網(wǎng)表文件；FPGA 以太網(wǎng)IP核采用Tri Mode Ethernet Mac；PHY芯片采用88E1512；最后RJ-45接口通過(guò)網(wǎng)線與上位機(jī)連接。

圖2 FPGA UDP以太網(wǎng)通信方案

• IP核配置

使用千兆通訊，因此將速率設(shè)為 1Gbps；

接口參數(shù)配置如下：

有關(guān)Shared Logic的選擇可參考我之前寫(xiě)的文章。

04以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流回環(huán)傳輸方案

如圖3所示，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)環(huán)路傳輸方案，是在電腦上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手向FPGA發(fā)送任意小于1472字節(jié)長(zhǎng)度的UDP數(shù)據(jù)包。由于Tri Mode Ethernet Mac IP核接口數(shù)據(jù)流為8bits/125M，而uiudp_stack為64bits/15.625M，因此需要在中間插入FIFO緩存模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換以及跨時(shí)鐘域處理。

圖3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)回環(huán)傳輸方案

05調(diào)試遇到問(wèn)題

修改電腦IP地址、子網(wǎng)掩碼，上位機(jī)UDP端口號(hào)、IP地址，然后測(cè)試了軟件功能，發(fā)現(xiàn)UDP丟包率較高，為30%左右，而且FPGA端接收回路數(shù)據(jù)沒(méi)問(wèn)題，只是發(fā)送回路有問(wèn)題。因此對(duì)軟件中所有模塊進(jìn)行測(cè)試，修改所有可能影響丟包率的代碼部分，都沒(méi)能解決問(wèn)題。

“排除一切不可能的原因，剩下的即使再不可能，那也是真相”，當(dāng)軟件沒(méi)有問(wèn)題，那只能是硬件部分有問(wèn)題了。于是我考慮這很可能是因?yàn)镕PGA引腳配置不對(duì)。

一開(kāi)始tx_d引腳I/O電平標(biāo)準(zhǔn)配置為L(zhǎng)VCMOS，考慮到RGMII接口為雙沿動(dòng)作，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，可能LVCMOS無(wú)法滿足，因此參考了DDR3的設(shè)計(jì)，改用SSTL電平。編譯之后重新做回環(huán)測(cè)試，UDP丟包率<1/1000，問(wèn)題解決。