基于Altera FPGA的千兆以太网实现方案

1 引言

在系统设备不断向小型化、集成化、网络化发展的今天，嵌入式开发成为新技术发展的最前沿，改变着系统的整体结构。FPGA由于其自身特点，成为嵌入式开发的最佳平台。Altera公司结合其最新一代高端器件推出了全新的嵌入式开发系统，能够实现软核niosII 32位处理器为核心的嵌入式开发系统。

在CvcloneII中，A1tera集成了完整的千兆以太网硬核，硬核包括MAC模块以及可选择的物理层PCS模块和PMA模块，其中MAC模块支持l0／100／1000 Mb/s。Altera的SOPCBuilder工具提供快速搭建SOPC系统的能力，这种架构可以包含一个或多个CPU，提供存储器接口，外围设备和系统互连逻辑的复杂系统。

2 千兆以太网技术简介

以太网技术是当今应用广泛的网络技术，千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优点，同时又具有诸多新特性，例如传输介质包括光纤和铜缆，使用8B/10B的编解码方案，采用载波扩展和分组突发技术等。正是因为具有良好的继承性和许多优秀的新特性，千兆以太网已经成为目前局域网的主流解决方案。

千兆以太网利用原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA／CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802．3标准中所定义的管理对象。千兆以太网的关键技术是千兆以太网的MAC层和以太网接口的实现。随着多媒体应用的普及，干兆以太网必然得到广泛应用。

3 Altera的千兆以太网解决方案

3．1 IP核的支持

Altera提供了可参数化的千兆以太网megacore解决方案。该方案可在Altera的Arria GX，CycloneII，CycloneIII系列FPGA上工作，可配置使其包含MAC，PCS，PMA模块中的一种或多种，配置选择及相应的接口标准。

千兆以太网IP核的功能描述如下：

(1)支持IEEE 802.3标准。

(2)10/100/1 000 Mb，s以太网媒体访问控制支持半双工和全双工工作模式。

(3)多通道MAC，支持最多24端口。

(4)以太网物理层编码子层1000BASE一X／SGMII标准的自协商。

(5)接口使用方便。

对于千兆以太网控制器的实现，采用表第l行的配置。吉比特级以太网媒体控制器核(GEMAC)是针对1 Gb／s以太网媒体访问控制器功能的可参数化的megacore解决方案。

3．2 基于FPGA的千兆以太网MAC控制器实现方案

3．2．1 整体设计方案

以太网控制器的FPGA设计工作包括以太网MAC子层的FPGA设计，MAC子层与上层协议的接口设计以及MAC与物理层(PHY)的GMII接口设计。该以太网控制器的总体结构设计框图如图1所示，整个系统分为MAC模块，主机接口模块和管理数据输入输出模块。其中，MAC模块主要执行在全双工模式下的流量控制，MAC帧实现发送和接收功能，其主要操作有MAC帧的封装与解包以及错误检测，直接提供了到外部物理层器件的并行数据接口，物理层处理直接利用商用千兆PHY器件，主要开发集中在MAC控制器的研究。



管理数据输入输出模块提供了标准的IEEE802.3介质独立接口，可用于连接以太网的链路层和物理层。主机接口则提供以太网控制器与上层协议(如TCP／IP协议)之间的接口，用于数据的发送、接收以及对控制器内各种寄存器的设置。      

3．2．2 接口描述

整个系统模块间的接口连接如图2所示。其中，PCS和PMA分别代表物理层的物理编码子层和物理介质接入层。

(1)通过MII／GMII接口提供了与以太网物理层(PHY)设备的无缝连接。

(2)吉比特模式下支持RGMII接口。

(3)可选择的管理数据输入/输出模块为以太网PHY提供管理信息。

(4)为用户提供基于Aalon—ST的8 bit／32 bit接口。

(5)可选择的集成物理介质介入模块。



3．2．3 千兆以太网IP核

Altera提供三态以太网MAC控制器IP核，可实现单条或多条吉比特以太网链路，通过交换机或路由器可与任意以太网端口相连。其配置界面如图3所示。



整个配置界面可将IP核配置为所需模式并进行IP核参数设置，将IP核设置为千兆以太网MAC模块，内部提供FI—FO模块。可选的PCS模块由PHY器件提供，这个界面分为4个配置页面，描述如下：

• Core Configuration：核配置选项，配置以太网功能模块，是否包含PCS模块、FIFO模块，配置接口类型、端口数等；
• MAC Options：MAC配置选项，配置MAC模块功能；
• FIFO Options：FIFO存储器选项，可设置FlFO存储器类型以及存储器数据长度；
• PCS／SGMII Options：物理介质接入层模块配置页面，配置物理层。
• 相应的接口信号包括：控制接口信号，复位信号，MAC系统端信号(包括接收接口信号和发送接口信号)，MAC以太网端信号(包括GMII模块信号和PHY管理接口信号)。

表1中描述了MAC以太网端GMII模块信号、接口信号，其余信号参考千兆以太网用户手册。GMII模块的接收信号一般直接连到PHY器件，负责与PHY器件的数据交互，其信号与PHY器件接口一一对应，如表1所列。