西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 許全泉，胡文江，蘇里

引言

目前，以太網(wǎng)802.3協(xié)議和TCP／IP協(xié)議是現(xiàn)今嵌入式系統(tǒng)接入Internet的首選協(xié)議。而以太網(wǎng)(Ethernet)的核心思想是多用戶使用共享的公共傳輸信道，它通過(guò)帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議(CSMA／CD)來(lái)控制對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)。

本文給出了完全用FPGA的控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)Internet接人中的底層以太網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)方法。并最終設(shè)計(jì)出符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的控制器，從而實(shí)現(xiàn)了10 Mbps和100 Mbps兩種傳輸速率以及半雙工和全雙工兩種工作模式，并可通過(guò)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的介質(zhì)獨(dú)立接口(MII)與以太網(wǎng)物理層芯片相連接。

1 總體設(shè)計(jì)方案

以太網(wǎng)控制器的FPGA設(shè)計(jì)工作包括以太網(wǎng)MAC子層的FPGA設(shè)計(jì)、MAC子層與上層協(xié)議的接口設(shè)計(jì)以及MAC與物理層(PHY)的MII接口設(shè)計(jì)。

該以太網(wǎng)控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為發(fā)送模塊、接收模塊、MAC狀態(tài)模塊、MAC控制模塊、MII管理模塊和主機(jī)接口模塊六部分。發(fā)送模塊和接收模塊主要提供MAC幀的發(fā)送和接收功能，其主要操作有MAC幀的封裝與解包以及錯(cuò)誤檢測(cè)，它直接提供了到外部物理層芯片(PHY)的并行數(shù)據(jù)接口(MII)。MAC控制模塊則用于執(zhí)行全雙工模式中的流量控制功能。MAC狀態(tài)模塊可用來(lái)監(jiān)視MAC的操作過(guò)程的各種狀態(tài)信息，并作修改。MII管理模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3介質(zhì)獨(dú)立接口(MII)，可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層與物理層(PHY)。主機(jī)接口則提供有以太網(wǎng)控制器與上層協(xié)議(如TCP／IP協(xié)議)之間的接口，以用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對(duì)控制器內(nèi)各種寄存器(控制、狀態(tài)和命令寄存器)的設(shè)置。

2 MAC發(fā)送模塊

MAC發(fā)送模塊可將上層協(xié)議提供的數(shù)據(jù)封裝之后通過(guò)MII接口發(fā)送給PHY。發(fā)送模塊可接收主機(jī)接口模塊的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始和數(shù)據(jù)幀結(jié)束標(biāo)志，并通過(guò)主機(jī)接口從外部存儲(chǔ)器中讀取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后通過(guò)PHY提供的載波偵聽(tīng)和沖突檢測(cè)信號(hào)，在信道空閑時(shí)通過(guò)MII接口將數(shù)據(jù)以4位的寬度發(fā)送給PHY，最后由PHY將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

發(fā)送模塊由CRC生成模塊(crc_gen)、隨機(jī)數(shù)生成模塊(random_gen)、發(fā)送計(jì)數(shù)模塊(tx_cnt) 和發(fā)送狀態(tài)機(jī)(tx_statem_模塊等四個(gè)子模塊組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 CRC生成模塊(crc_gen)

該模塊用于計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)的CRC值，并將CRC值添加到數(shù)據(jù)幀的幀校驗(yàn)序列字段(FCS)內(nèi)。為了提高效率，并考慮到MAC與PHY的數(shù)據(jù)通道為4位，設(shè)計(jì)時(shí)可采用4位并行CRC計(jì)算方法，算法中可使用一個(gè)次態(tài)函數(shù)，并通過(guò)循環(huán)迭代來(lái)模擬移位操作。這樣，發(fā)送模塊就可以在邊發(fā)送數(shù)據(jù)到PHY的同時(shí)，一邊計(jì)算CRC，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完時(shí)，CRC值也計(jì)算完成了。

2.2 隨機(jī)數(shù)生成模塊(random_gen)

如在發(fā)送過(guò)程中檢測(cè)到?jīng)_突，發(fā)送模塊就先發(fā)送擁塞碼(jam)，隨后停止發(fā)送。在下次重新發(fā)送之前，發(fā)送模塊會(huì)先執(zhí)行一個(gè)后退(backoff)操作，即發(fā)送模塊等待一個(gè)半隨機(jī)(生成的隨機(jī)數(shù)有范圍限制)的時(shí)間之后再開(kāi)始發(fā)送。該隨機(jī)數(shù)就是由隨機(jī)數(shù)生成模塊產(chǎn)生的，它采用經(jīng)典的截?cái)喽笖?shù)后退算法，后退的時(shí)間是一個(gè)與發(fā)生沖突次數(shù)有關(guān)的隨機(jī)數(shù)，隨著沖突的次數(shù)增多，用于生成該隨機(jī)數(shù)的范同也將逐漸增大，以減少?zèng)_突的概率。

2.3 發(fā)送計(jì)數(shù)模塊(tx_cnt)

發(fā)送計(jì)數(shù)模塊由半字節(jié)計(jì)數(shù)器(nibcnt)、字節(jié)計(jì)數(shù)器和重試次數(shù)計(jì)數(shù)器(retrycnt)三個(gè)計(jì)數(shù)器組成。其中重試次數(shù)計(jì)數(shù)器(retrycnt)可對(duì)發(fā)送某個(gè)幀時(shí)產(chǎn)生沖突次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到最大重試次數(shù)時(shí)，它將放棄重試，并丟棄發(fā)送緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，重試計(jì)數(shù)器的值還被隨機(jī)數(shù)生成模塊用于計(jì)算下次重試之前需要后退(backoff)的時(shí)隙的個(gè)數(shù)。

半字節(jié)計(jì)數(shù)器和字節(jié)計(jì)數(shù)器分別用于對(duì)發(fā)送過(guò)程中的半