基于FPGA的以太网视频广播接收系统的设计

一、引言

近年来，现场可编程门阵列（FPGA）技术以其独有的优势，在电子设计领域得到越来越广泛的应用。FPGA除具有集成度高、体积小、功耗低、电路简单、可靠性高等优点外，还有自身突出的优点，即“现场可编程性”，用户可以很方便地通过相应的软件，在较短时间内对FPGA内部逻辑反复设计或修改，直到满意为止。这就大大缩短了开发周期，提高了最终产品的性能。

以太网是最广泛使用的网络标准。它成为最受欢迎的技术，不仅因为其在市场上最低的NIC（网络接口卡）和HUB端口价格，还因为它具有维护简单、易于扩充等优点。

本文介绍的视频广播接收系统是基于标准以太网（10 Mbps）和快速以太网（100 Mbps）的系统。由于系统的主要部分采用了FPGA设计技术，使得系统的成本较低和开发周期较短，而且由于前端采用的是具有10M／100M兼容的芯片，并同时支持两种特性的以太网（全双工和半双工），有助于实现全双工和半双工以太网之间的无缝连接，从而使得该系统具有广阔的应用前景和实用性。

二、基本原理

系统实现中涉及到网络方面的许多相关技术和各种相关的协议、标准，下面作一简要介绍。

1．CSMA／CD协议

以太网用载波侦听多路访问／冲突检测（CSMA／CD）作为它的媒体访问控制协议，CSMA／CD定义了以太网节点为传输数据如何获得对网络媒体的访问。其工作过程如下：

（1）如果介质空闲，则传输数据，否则，转（2）；
（2）如果介质忙，则坚持侦听，直到介质空闲，立即传送数据；
（3）如果在传送过程中，检测到冲突发生，发送一个短的阻塞码，以确保让所有终端都检测到冲突发生，然后停止发送；
（4）发送完阻塞码后，等待一个随机时间，再试图重新发送，即转（1）。

目前，实际使用较多的冲突检测方法是终端发送器把数据发送到线缆上，终端接收器又把数据接收回来和发送的数据比较，判别是否一致，若一致，没有冲突；若不一致，表示冲突发生。

2．以太网帧格式

当应用程序用UDP（TCP）传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络，其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息）。UDP传给IP的数据单元称作UDP报文段或简称为UDP段，IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报。

在OSI模型中，数据链路层传输的数据单位是帧。同样，以太网CSMA／CD也是通过帧来发送实际数据的。以太网802．3u的MAC子层定义了帧结构，如图1所示。  

其中：前导码用于物理信号的同步，为7个字节的10101010序列和1个字节的10101011序列；目的地址和源地址使用的是MAC地址，前3个字节称为Block ID，它标志生产设备的厂家并由IEEE赋值；后3个字节称为设备ID，它由厂家赋值，而且总是唯一的；数据长度指要传送的数据的总长度；数据和填充字符可以从0到1 500字节不等，若实际数据小于所需的最小长度，MAC将追加一些可变的填充字符（PAD），以维持64字节的最小帧规模。若数据比1 500字节长，则更高层（一般是第三层）将把数据字段分成不同的帧进行传送；帧校验用来确保进行正确的传送，循环冗余校验（CRC）用来进行有效帧的检查。在以太网数据包的数据部分，包含了各种上层协议的首部。在本文的系统中，包含了IP首部和UDP首部。  

3．介质无关接口（MII）

MII是一个用于互连控制器和收发器的全新介质无关接口，它是100 Mbit／s快速以太网开发工作的一个组成部分。此接口提供了新的物理连接机制以及控制器和收发器的功能划分。该接口主要由以下一些信号组成：

（1）发送信号
包括半字节宽（Nibble－wide）的发送数据信号，加上相关的发送时钟、发送允许信号和发送差错信号。数据用时钟同步，时钟率是数据率的1／4 （即100 Mbit／s以太网用25 MHz的时钟），发送信号用于将数据从控制器移动到收发器，然后编码并发送到LAN上。

（2）接收信号
包括半字节宽的接收数据，加上相关的接收时钟、接收数据有效信号和接收差错信号。数据用时钟同步，时钟率是数据率的1／4。接收信号用于将解码的数据从收发器移动到控制器。

（3）以太网控制信号
这些信号是由收发器生成的载波侦听和冲突检测信号，用于控制器做介质访问控制。它们只用于半双工模式，在全双工模式中被忽略。

（4）管理信号
包括一个串行管理I／O信号和相关的时钟信号。用于在控制器和收发器之间双向交换配置和控制的管理信息。

三、系统设计

该系统实现的总体框图如图2所示。


  
其中以太网接口采用的是传统的RJ45接口，10M／100M收发器可以采用DM9101 单片实现，FPGA部分采用的是Xilinx公司的Spartan II系列的芯片，MPEG－1解码芯片采用了C－Cube公司的解码芯片。10M／100M收发器到FPGA之间采用MII标准的接口，FPGA到 MPEG－1解码芯片之间采用I2S形式的接口。