基于A(yíng)ltera FPGA的千兆以太網(wǎng)實(shí)現方案

發(fā)布時(shí)間:2010-11-8 14:58    發(fā)布者:eetech
關(guān)鍵詞: ALTERA , FPGA , 千兆 , 以太網(wǎng)
1 引言

在系統設備不斷向小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的今天,嵌入式開(kāi)發(fā)成為新技術(shù)發(fā)展的最前沿,改變著(zhù)系統的整體結構。FPGA由于其自身特點(diǎn),成為嵌入式開(kāi)發(fā)的最佳平臺。Altera公司結合其最新一代高端器件推出了全新的嵌入式開(kāi)發(fā)系統,能夠實(shí)現軟核niosII 32位處理器為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)系統。

在CvcloneII中,A1tera集成了完整的千兆以太網(wǎng)硬核,硬核包括MAC模塊以及可選擇的物理層PCS模塊和PMA模塊,其中MAC模塊支持l0/100/1000 Mb/s。Altera的SOPCBuilder工具提供快速搭建SOPC系統的能力,這種架構可以包含一個(gè)或多個(gè)CPU,提供存儲器接口,外圍設備和系統互連邏輯的復雜系統。

2 千兆以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)技術(shù)是當今應用廣泛的網(wǎng)絡(luò )技術(shù),千兆以太網(wǎng)技術(shù)繼承了以往以太網(wǎng)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有諸多新特性,例如傳輸介質(zhì)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(fā)技術(shù)等。正是因為具有良好的繼承性和許多優(yōu)秀的新特性,千兆以太網(wǎng)已經(jīng)成為目前局域網(wǎng)的主流解決方案。

千兆以太網(wǎng)利用原以太網(wǎng)標準所規定的全部技術(shù)規范,其中包括CSMA/CD協(xié)議、以太網(wǎng)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(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是千兆以太網(wǎng)的MAC層和以太網(wǎng)接口的實(shí)現。隨著(zhù)多媒體應用的普及,干兆以太網(wǎng)必然得到廣泛應用。

3 Altera的千兆以太網(wǎng)解決方案

3.1 IP核的支持

Altera提供了可參數化的千兆以太網(wǎng)megacore解決方案。該方案可在A(yíng)ltera的Arria GX,CycloneII,CycloneIII系列FPGA上工作,可配置使其包含MAC,PCS,PMA模塊中的一種或多種,配置選擇及相應的接口標準。

千兆以太網(wǎng)IP核的功能描述如下:

(1)支持IEEE 802.3標準。

(2)10/100/1 000 Mb,s以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制支持半雙工和全雙工工作模式。

(3)多通道MAC,支持最多24端口。

(4)以太網(wǎng)物理層編碼子層1000BASE一X/SGMII標準的自協(xié)商。

(5)接口使用方便。

對于千兆以太網(wǎng)控制器的實(shí)現,采用表第l行的配置。吉比特級以太網(wǎng)媒體控制器核(GEMAC)是針對1 Gb/s以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器功能的可參數化的megacore解決方案。

3.2 基于FPGA的千兆以太網(wǎng)MAC控制器實(shí)現方案

3.2.1 整體設計方案

以太網(wǎng)控制器的FPGA設計工作包括以太網(wǎng)MAC子層的FPGA設計,MAC子層與上層協(xié)議的接口設計以及MAC與物理層(PHY)的GMII接口設計。該以太網(wǎng)控制器的總體結構設計框圖如圖1所示,整個(gè)系統分為MAC模塊,主機接口模塊和管理數據輸入輸出模塊。其中,MAC模塊主要執行在全雙工模式下的流量控制,MAC幀實(shí)現發(fā)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,直接提供了到外部物理層器件的并行數據接口,物理層處理直接利用商用千兆PHY器件,主要開(kāi)發(fā)集中在MAC控制器的研究。




管理數據輸入輸出模塊提供了標準的IEEE802.3介質(zhì)獨立接口,可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層和物理層。主機接口則提供以太網(wǎng)控制器與上層協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)之間的接口,用于數據的發(fā)送、接收以及對控制器內各種寄存器的設置。      

3.2.2 接口描述

整個(gè)系統模塊間的接口連接如圖2所示。其中,PCS和PMA分別代表物理層的物理編碼子層和物理介質(zhì)接入層。

(1)通過(guò)MII/GMII接口提供了與以太網(wǎng)物理層(PHY)設備的無(wú)縫連接。

(2)吉比特模式下支持RGMII接口。

(3)可選擇的管理數據輸入/輸出模塊為以太網(wǎng)PHY提供管理信息。

(4)為用戶(hù)提供基于A(yíng)alon—ST的8 bit/32 bit接口。

(5)可選擇的集成物理介質(zhì)介入模塊。



3.2.3 千兆以太網(wǎng)IP核

Altera提供三態(tài)以太網(wǎng)MAC控制器IP核,可實(shí)現單條或多條吉比特以太網(wǎng)鏈路,通過(guò)交換機或路由器可與任意以太網(wǎng)端口相連。其配置界面如圖3所示。




整個(gè)配置界面可將IP核配置為所需模式并進(jìn)行IP核參數設置,將IP核設置為千兆以太網(wǎng)MAC模塊,內部提供FI—FO模塊?蛇x的PCS模塊由PHY器件提供,這個(gè)界面分為4個(gè)配置頁(yè)面,描述如下:
  • Core Configuration:核配置選項,配置以太網(wǎng)功能模塊,是否包含PCS模塊、FIFO模塊,配置接口類(lèi)型、端口數等;
  • MAC Options:MAC配置選項,配置MAC模塊功能;
  • FIFO Options:FIFO存儲器選項,可設置FlFO存儲器類(lèi)型以及存儲器數據長(cháng)度;
  • PCS/SGMII Options:物理介質(zhì)接入層模塊配置頁(yè)面,配置物理層。
  • 相應的接口信號包括:控制接口信號,復位信號,MAC系統端信號(包括接收接口信號和發(fā)送接口信號),MAC以太網(wǎng)端信號(包括GMII模塊信號和PHY管理接口信號)。


表1中描述了MAC以太網(wǎng)端GMII模塊信號、接口信號,其余信號參考千兆以太網(wǎng)用戶(hù)手冊。GMII模塊的接收信號一般直接連到PHY器件,負責與PHY器件的數據交互,其信號與PHY器件接口一一對應,如表1所列。



            
4 物理層(PHY)器件


Ahera公司的千兆以太網(wǎng)MAC核默認支持的物理層器件有支持10/100 Mb/s的National DP83848C,支持10/100/1 000 Mb/s的National DP83865,Marveil 88E1145以及支持雙物理層和10/100/l 000 Mb/s的Marvell 88E1111。在此,選擇National DP83865為PHY器件。

MAC核與吉比特PHY器件通過(guò)GMII接口的連接如圖4所示。




DP83865是National Semiconductor公司的全特性物理層收發(fā)器,集成了PMD子層以支持10BASE-T,100BASE-TX和1000BASE-T以太網(wǎng)協(xié)議,具有超低功耗,3.3V或2.5VMAC接口。

5 開(kāi)發(fā)環(huán)境

利用Ahera強大的SOPC Builder系統開(kāi)發(fā)工具和Quar-tusII軟件設計,基于QuartusII和niosII的SOPC設計流程如圖5所示,SOPC開(kāi)發(fā)流程比FPGA的開(kāi)發(fā)流程(細線(xiàn)框)多增加處理器及其外設接口的定制步驟和軟件開(kāi)發(fā)步驟(粗線(xiàn)框)。這些新增加的步驟在SOPC Builder,niosII IDE工具的協(xié)助下能夠輕松完成。





6 結語(yǔ)

使用千兆網(wǎng)系統可直接將處理的高速信號從網(wǎng)口發(fā)送給遠端處理計算平臺,節省功率放大器和高頻電纜等,減少投入,加強系統的集成性和可靠性,更便于設計人員的調試,且接口更具通用性和擴展性。
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