基于FPGA高速千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案

摘 要：隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)水平的提高，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面很大一部分都采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)技術(shù)成熟，具有很高的性價(jià)比，已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。本文提出以ALTERA公司的FPGA EP4CGX15DF3117作為MAC核，物理層芯片采用88E1111來處理數(shù)據(jù)，在FPGA設(shè)計(jì)中，遵循自上而下的設(shè)計(jì)，對(duì)各子模塊依次進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：千兆以太網(wǎng)；FPGA MAC ；88E1111

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.207

1 引言

目前，以PC機(jī)為平臺(tái)的千兆以太網(wǎng)的開發(fā)已經(jīng)相對(duì)成熟，在嵌入式芯片領(lǐng)域，千兆以太網(wǎng)的MAC子層作為IP核一般通過編程來實(shí)現(xiàn)，不僅有效降低了系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，電路板的設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單。千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbps）以及百兆以太網(wǎng)（100Mbps）技術(shù)一樣，符合以太網(wǎng)所定義的技術(shù)規(guī)范，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3。

2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)可分為五大模塊：千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，PHY 88E1111接口模塊，F(xiàn)PGA MAC核模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊。

如圖1如示。

（1）千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。該轉(zhuǎn)換電路功能主要是實(shí)現(xiàn)MAC層數(shù)據(jù)與雙絞線以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（2）PHY 88E1111接口。PHY 88E1111完成PHY層數(shù)據(jù)的處理，以實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)

（3）FPGA MAC模塊。接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和解析，發(fā)送數(shù)據(jù)幀的封裝、校驗(yàn)ARP地址的映射

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。按照發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序完成數(shù)據(jù)包的封裝。

（5）數(shù)據(jù)接收模塊。按照接收數(shù)據(jù)時(shí)序完成數(shù)據(jù)包的封裝。

（6） FPGA千兆以太網(wǎng)的IP核。MAC核采用ALTERA的專用MAC IP核，在Quartus II 中新建IP核，選擇Triple-Speed Ethernet核，彈出IP參數(shù)設(shè)置界面，為了滿足性能指標(biāo)，參數(shù)設(shè)置如圖2。

使用內(nèi)部FIFO，收發(fā)設(shè)置成32bit*2048 ，選擇千兆MAC，全雙工工作模式等，這樣就完成了三速以太網(wǎng)的設(shè)置。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分主要是PHY芯片88E1111電路的設(shè)計(jì)，包括電源和時(shí)鐘設(shè)計(jì)，配置電路設(shè)計(jì)等。

88E1111芯片工作需要配置I/O、內(nèi)核電平分別為2.5V和1.2V，2.5V與芯片引腳VDDO、VDDOH、VDDOX相連，AVDD2.5與AVDD引腳相連；1.2V與DVDD引腳相連。88E1111需要25M的參考時(shí)鐘，在88E1111的芯片設(shè)計(jì)中，芯片配置通過CONFIGO-CONFIG6引腳來實(shí)現(xiàn)器件的物理地址和全雙工模式等參數(shù)的設(shè)置。為了方便開發(fā)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)芯片地址為0000，全雙工千兆工作模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，遵循自上而下的設(shè)計(jì)，采用Altera 的Quartuar II 為設(shè)計(jì)工具，主要包括電路功能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)輸入和綜合、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等幾個(gè)步驟。程序主要包含MAC config 、DATA TX、，DATA RX、 PLL config、Tse 等幾個(gè)部分。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括主板、兩路千兆以太網(wǎng)接口模塊，測(cè)試了實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速度，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。

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