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(多图) 基于Altera FPGA的千兆以太网实现方案

詹俊鹏 李鹏?? 2009年03月23日 ?? 收藏1

  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。

以太网控制器的总体结构设计框图

点击看原图

  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。

整个系统模块间的接口连接

点击看原图

  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。

配置界面

点击看原图

  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)。


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    Altera? FPGA? 以太网? CvcloneII?

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