基于FPGA的以太网设计方案

1 基于 以太网设计方案 第一章 绪论 当今，随着互联网技术的迅速发展，采用以太网实现数据采集和控制方面的应用，成为了电子系统设计的热点。以太网具有价格低廉、稳定可靠、传输速度快、传输距离远等特点，以太网技术发展成熟，具有很高的性价比。采用以太网技术的设备，可以通过协议进行数据的传输，不需要进行传输协议转换，使用和维护设备简单。随着技术的发展和各类应用的需求，出现了各种以太网的标准，包括标准以太网（ 10s）、百兆以太网（ 100s）、千兆以太网（ 1000s）和 10G（ 10s）以太网 1。不同类型的以太网有其各自需要遵循的标准，同时其所用的传输介质以及数据吞吐量也各不相同。千兆以太网技术作为新一代的高速以太网技术，它可以提供 1通信带宽，采用和传统 10M、 100M 以太网同样的 D 协议、帧格式和帧长、全 /半双工工作方式、流控模式以及布线系统，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太网技术价格便宜的特点。 同时随着电子技术的发展，系统设备正向小型化、集成化、网络化发展。场可编程门阵列）以其高密度、大容量、低成本和微功耗等特点，被广泛的应用于各种电子系统的设计和开发中，面向各种技术的应用也越来越广泛 2。在其内部加入处理器系统，不仅能够实现一般的逻辑功能设计，同时能够实现一般单片机功能，通过内部逻辑功能连接可以使整体获得优异的性能，并大大减少设计工作。目前，在 嵌入了许多专用功能的 增加了许多硬件核，如存储器、时钟管理和算法功能核，甚至包括了 和嵌入式处理器核等，即能在 进行 嵌入式处理等关键领域的开2 基于 千兆以太网设计 2 发，使得 实现的功能越来越强。比如世界第一大 产厂商司推出的最新器件 列甚至将业界标准 核P 理系统嵌入到了可编程芯片中，不但能够实现 时为利用 行嵌入式开发带来了可能。 目前，以 平台的千兆以太网的开发已经相对成熟，而近些年来随着 嵌入式芯片的处理能力的提升，基于这些芯片的千兆以太网的开发则处于起步阶段 3。在 这类系统的实现中，千兆以太网的 层作为硬核集成在芯片中通过编程来实现，不仅有效降低了系统的成本，实现高效的传输性能，而且可以缩小 板的大小。因此研究基于 千兆以太网技术，在大吞吐量数据传输通道、实时数据服务和实时信号处理等方面都将有着广泛的应用前景和潜在的经济价值，更进一步地对于千兆以太网在嵌入式系统中的应用，都具有很好的推进作用和实际意义。 近些年来，根据一些国内外公开发表的文献，在基于 千兆以太网的数据传输的研究与应用方面，国内外的各机构已经有了一定的研 究成果。 南京信息工程大学王胜杰和王建的基于千兆以太网的 与 高速数据传输，使用 定义通信帧格式，实现一种 与 该研究绕过了 议和 议，只涉及到链路层和物理层，与标准的千兆以太网接入系统无法很好的结合，只能面向特殊的应用。 在 方公布的文档 ， 司与 司合作，实现了高效的 业化以太网协议栈，可以实现目前以太网上常用的几乎所有的协议 4。其文档测试的结果表明，在扩展的 小达到9000模式下，可以实现惊人的 922纯网络速度。但该实现是基于 业版的 P 协议栈，且目前 司已经去掉与 不适合普通以太网的应用。 3 尽管 司现在能提供关键通信协议的 P 支持，但是集成以太网协议的 只可以在 一些高端 实现，如 列 5。对于低端的 列仍然不能实现。尽管作为 供工业以太网开发套件，但费用是相当高的，近乎上百万美元。因此，自行开发出合理的协议堆栈、 P 协议堆栈以及接口应用将具有很重大的意义和经济价值。 综上所述，目前国内外实现的千兆以太网主要以单芯片或单系统环境，趋向于以底层链路层以下的协议为基本设计起点完成千兆以太网的数据传输功能，且很多研究与应用都是面向专用的场合，并不适合普通用户的开发。面对 快速发展，在基于片内处理器的千兆以太网高速数据传输还很少，且使用处理器实现网络传输的 P 协议正好与目前大量使用的以太网网络能快速兼容地结合，可以很容易用于商业产品的生成。因此，本课题的研究，对于千兆以太网在嵌入式高速数据网络通信技术的实际应用，以及进一步在其他嵌入式系统中的应用，都具有很好的应用前景和潜在的经济价值。 本文在章节上一共分为五章，论文的组织结构安排如下 : 第一章为绪论部分，主要介绍了 接入千兆以太网技术的研究背景以及目前国内外的研究现状，以及本论文的研究内容和论文安排。 第二章主要阐述了以太网基础理论的研究 第三章主要阐述以太网数据传输硬件部分设计与实现。 第四章主要阐述以太网数据传输软件部分设计与实现。 第五章主要阐述了本 文的总结和研究展望，对本文进行总结，并在设计方法和性能提升上提出一些改进的方法。 4 基于 千兆以太网设计 4 第二章 千兆以太网理论基础 5 5 第二章 千兆以太网理论基础 本章首先介绍了以太网的发展历程和千兆以太网的标准内容，按照标准的分层原理介绍了其 、 口层和 的实现原理，然后提出了一种基于 嵌入式千兆以太网的实现架构，以使用底层 能和使用 入式网络协议栈实现上层 千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技 术，它和现在已经大量使用的标准以太网（ 10及百兆以太网（ 100术一样，都使用以太网所定义的技术规范，比如： D 协议、以太网帧、全双工、流量控制以及 准中所定义的管理对象等 6。同时，千兆以太网作为以太网络的一个组成部分，还支持流量管理技术，使得它提供的服务质量能得到保证，这些技术规范包括 二层优先级、第三层优先级的 码位、特别服务和资源预留协议 (目前，千兆以太网已经发展成为主流网络技术，大量的网络工作人员和普通用户从 中受益不浅 . 以太网的官方标准为 作组有数百名工作人员从事千兆以太网标准的制定，他们来自十几家生产网络产品的公司，力图将以太网的速度提高到 1000上。 1996 年 7 月， 立了 一工作组负责开发 1000兆以太网标准。1997 年 1 月，通过了 一版草案； 1997 年 2 月 3 日， 定了千兆以太网的核心技术， 1998 年 6 1999 年 6 月，正式通过了 准（即 1000至此可以将平常使用的双绞线用于千兆以太网中。 图 出了 千兆位技术层次模型和 模型之间的相互关系。 6 基于 千兆以太网设计 6 图 00/1000次模型 准任务组的首要目标之一就是保持与现在的 10100准的兼容性。从图 以看出，在结构上百 /千兆以太网的差别并不大，仅从百兆以太网的 4 位并行 口变为 8 位并行的 口；二者的自动协商接口有所不同，百兆以太网中的协商功能位于 层之下，而千兆以太网则融合在 层之中；与十兆以太网相比，百 /千兆以太网都使用并行的介质无关接口取代十兆以太网的串行 口7。另外，千兆以太网物理介质接入子层 上 下界面分别为 10 比特的并行和串行接口，因此 完成串 /并接口间的转换。 根据千兆以太网标准的定义，千兆以太网可以支持多种连接媒体和大范围的连接距离。按照传输介质的不同，千兆以太网可分为以下 4 种： 1. 1000于 1300单模光纤标准，使用 8B/10B 编解码方式，最大传输距离为 5000 米。 2. 1000于 780多模光纤标准，使用 8B/10B 编解码方式，最大传输距离为 300 米到 500 米。 3. 1000于铜缆的标准，使用 8B/10B 编解码方式，最大传输距离为 25 米。 4. 1000用非屏蔽双绞线，使用 1000物理层 码解码方式，最大传输距离为 100 米。 第二章 千兆以太网理论基础 7 7 双工 统以太网总是使用半双工 双工系统双向通信的效率受到半双工信道上通信方向快速变化的影响。在以太网环境中，每个站可以迅速判断是否可以发送帧，即半双工 用了每个站的分布处理能力。然而，将以太网 法扩展到支持千兆速率会阻碍半双工模式下的有效操作。当仲裁时间（最坏情况下等于往返延时）达到或超过一个典型帧 的传送时间时，算法的效率就有问题了。 法的目的是为了使站能够确定谁能在一个共享物理信道上传送数据 8。以太网使用了一个分布式算法称为载波侦听、带冲突检测的多路访问（ D： 图 图 太网 程（传统半双工操作） 8 基于 千兆以太网设计 8 半双工模式下的帧传送：在发送数据前，它首先要监听物理信道是否处于忙状态，只有侦听到信道上没有其他的站在使用时，才会发送帧。每次传送结束后 ，站必须等待一段时间（一个帧间隙， 使物理信道有一段稳定时间后，站才开始其传送。如果同时有多个站的队列中有待发帧，在经过载波侦听和帧间隙后，每个站都试图发送，结果就会产生冲突。当发生冲突时，所有相关的站都继续发送一段时间以保证让所有的站都能发现冲突，这个过程叫堵塞。堵塞后，每个站需要等待一个随机时间，这个过程叫后退。后退以后，站从头开始处理并尝试重新发送帧。 但是，在千兆以太网中会碰到一个问题。在 10 100太网系统中，最小帧长度被设置成等于网络最大往返传播延 时，即最小帧长和时隙是相同的值： 512 比特（ 64 字节），不包括前导码和物理层负载 9。由于 512 比特时间是 据 10太网使用的电缆类型，其布线长度可以达到 2 到 3一量级。如果保持 512 比特最小帧长而不做其他算法改变的话，将速率从 10高到 100到 1000了使D 正常工作，网络的覆盖范围将下降到 200m（ 100 20m（ 1000量级。这仅仅能在一个配线间内互连设备，对于实际应用的这种网络尺寸是不切实际的。由于升级到千兆网 络以太网需要支持可实用的网络规模，同时出于维持最小帧长向后兼容性的考虑，必须对 准中引入了载波扩展和帧突发的概念用来解决这个问题，这个解决方案有如下三个基本内容： （ 1） 从软件接口（设备驱动）角度看，仍保持 512 比特最小的帧。在移植到千兆速率时，这可避免修改驱动程序设计和现有的协议栈。 （ 2） 修改 法，使用一个称为载波扩展的机制，从物理信道角度看帧已被人为扩展了，短帧看起来变长了。这使千兆以太网能继续支持相同的布线拓扑（从配线间起半径 100m），而不增加帧 数据部分的最小长度。 （ 3） 为短帧传送方提供可供选择的性能增强功能，称为帧突发。使用这种技术在传送大量短帧时，因加入载波扩展引起的效率损失对网络的性能没有明显的下降。 第二章 千兆以太网理论基础 9 9 双工 双工 作意味着信道是专用的，这样前面讨论的关于半双工操作的所有复杂问题都不用考虑了。在全双工模式下，千兆以太网没有必要使用载波扩展，只有在使短帧传送能持续足够长的时间以便 D 算法能正确地仲裁信道时，载波扩展才是必需的。同样，全双工千兆以太网也没有必要使用帧突发，当站可在任意时间发送一个帧，也可在任意 时间从物理信道接收帧。因为使用专用信道，站甚至可以根据自己的意愿进行发送和接收帧操作。 但是，全双式 会为收到的流量推迟发送，也不会检测冲突、阻塞、放弃、后退或重新调度发送。在全双工交换网络中，如果多个端口向一个输出端口进行发送，那么将发生缓冲区溢出，在这种情况下数据包将被丢弃，因此需要一种流量控制的策略来避免这种错误的发生。 为基于 10. （ 1） 暂停（ 制帧 在传统以太网系统中， 议只定义了数据帧，没有控制帧，数据帧的绝大部分内容都被 层交给上一层处理。 义了一种控制帧 暂停（ 用于全双工工作方式的一对站点、中间设备之间或工作站与中间设备之间交换流控数据， 的格式如图 示。 图 格式及各字段定义 （ 2） 使用 进行流量控制的流程 10 基于 千兆以太网设计 10 图 流量控制：事件序列 使用 进行流量控制，是基于一种事件序列的方式来完成的。当某个被拥塞实体向发送源发出一个 时，发送源在停止发送新的 帧之前要经过一段时间，这段等待时间由图 所示的几部分构成。从图中可以看出，如果端站点在收到 时正好开始发送一个最大长度帧，将产生最大等待时间。 (3)流量控制策略 虽然 义了用于点到点流量控制的机制，但是何时或在什么情况下启动流量控制以及使用多长时间，却完全取决了供应商或用户。根据实现的复杂度可以使用多种不同的策略。在交换设备中使用的流量控制策略主要有 3 种：基于缓存空间的流量控制；基于发送权的流量控制；基于速率的流量控制。 其中，基于速率的流量控制有很多优点，这也是平常网 卡设置流量控制时使用的一种策略，下面简要说明下它的原理。当使用基于速率的流量控制策略时，端站点可以通过调整帧间间隔（ 以较快或较慢的速度发送帧。当不存在拥塞时，交换机可以通知站点以最小的 以最大速率发送帧。当交换机检测到拥塞时，它将发送一个带有新的 流量控制帧，接着端站点就将以修改后的 送帧。不同速率的 预先定义好，取决于复杂度，可以定义好几个级别的拥塞，用来满足不同情况下的流量控制。 以太网的每个数据率上都有多种介质类型。为支持同轴电缆、双绞 线和光纤，每种以太网系统在控制器设备（如网络接口控制器或 物理 第二章 千兆以太网理论基础 11 11 层连接设备（如收发器）之间加入了（至少在逻辑上）一个标准接口 11。这可使控制器制造商能独立地制造他们的设备，同时保持了灵活性，可让终端用户选择其喜欢的介质。这个接口点正是介质无关接口，三种以太网数据率的每一个都定义了一个这种接口。十兆以太网向百兆以太网过渡时，引入了 4 位的介质无关接口 代了 串行接口。从百兆向千兆以太网过渡时引入了一个新的千兆位介质无关接口（ 它是快速以太网 逻辑扩展，保留了部分 口 信号。两种设计的主要差别在于接口宽度（字节宽与半字节宽）以及时钟频率（ 125 25的数据通路宽度被设计为 8 位而不是半位元组宽度。每个时钟周期内数据以 1速率通过 此为了获得 1000数据速率，发送和接收时钟必须工作在 125于 口也可以工作在10 100以相应的时钟分别为 25是并不需要支持所有三种数据速度， 须通过站点管理实体来声明自己所支持的速率。当然，以 10 100度工作的 同于 口信号定义 口的数据结构符合 太网标准，口可分为 式和 式，一般说来 接，但是 是可以对接的，图 12 基于 千兆以太网设计 12 图 口连接图 在 口中，它是用 8 根数据线来传送数据的，发送参考时钟 频率均为 1251000=125口主要包括四个部分：一是从 到物理层的发送数据接口，二是从物理层到 的接收数据接口，三是从物理层到 的状态指示信号，四是 和物理层之间传送控制和状态信息的 口。接口信号在表 列举出。 表 口信号定义 信号名称 方向（相对于控制器） 描述 同步于 发送器 比特 号的时钟信号（ 125 :7 发送数据 送 器错误（用于破坏一个数据包） 送器使能 第二章 千兆以太网理论基础 13 13 信号 接收器 收时钟信号（从收到的数据中提 取，因此与 关联） :7 收数据 收数据出错指示 收数据有效指示 络状态 突检测（仅用于半双工状态） 异步 道激活的指示，侦听到接收 信号或传送信号（仅用于半双工状态） 异步 管理配置 置接口时钟 (1)时钟信号 于 说，此时是 号；而对于说 ,此时是 号。 (2)在千兆速率下， 供 号， 4 基于 千兆以太网设计 14 14 千兆网络通信系统的 计实现号与此时钟信号同步。在信号的上升沿采样， 动。 时钟频率是数据传输速率的 ，即 125则，在 10/100率下，供 钟信号，其它信号与此信号同步，其工作频率为25100络）或 10络）。 （ 3） 同样的， 样具有相同的要求，所不同的为它是 号方向是从 参考时钟，在时钟的上升沿采样。 由 动，而 能从接收到的数据中提取时钟 有可能由一个名义上的参考时钟（ 驱动 （ 4） 管理配置接口控制 特性。该接口有 32 个寄存器地址，每个寄存器地址 16 位。其中前 16 个 已 经 在 “规定了用途，其余的则根据各器件自己指定。 口时序特性 在 口中 ,道参考时钟是 道参考时钟是义了它们之间的关系，如图 所示。 图 口信号时序要求 由图 知，标准只定义了 道中接收端的 间和 间，即只对 道上 一侧的接收特性作了定义，而对 道一侧的发送特性并没有定义。对于器件制造商而言，可对 道 第二章 千兆以太网理论基础 15 15 一侧的 发送特性作适当调整，只要最终的时序满足 道上 12。对 道也是同样的道理，器件制造商可对 道那一侧的 发送特性作适当调整，只要最终的时序满足道上 一侧的接收特性就可以。 口的发送时序如图 示，接收时序如图 示。 图 号 发送时序 图 号接收时序 管理 口 管理 口，在硬件设计上同 管理 口是一样的。 口包括两根信号线： 过它， 或其它控制芯片可以访问物理层芯片的寄存器，并通过这些寄存器来对物理层芯片进行控制和管理。 理接口的两根信号信解释如下： 理接口的时钟，它是一个非周期信号，信号的最小周期（实际是正电平时间和负电平时间之和）为 400小正电平时间 和负电平时间为 160大的正负电平时间无限制。它与 任何关系。 16 基于 千兆以太网设计 16 一根双向的数据线，用来传送 的控制信息和物理层的状态信息。 据与 钟同步，在 升沿有效。 理接口的数据帧结构顺序如表 表 理接口的数据帧结构 T A 1 01 10 0 1 01 01 0 其中，各个数据域的含义如下： 前缀域，为 32 个连续 “1”比特，这个帧前缀域并不是必要的，某些物理层芯片的 作就没有这个域。 开始标志，出现 “01”比特表示帧结构开始。 操作码，比特 “10”表示此帧为一读操作帧，比特 “01”表示此帧为一写操作帧。 理层芯片的地址， 5 个比特，每个芯片都把自己的地址与这 5 个比特进行比较，若匹配则响应后面的操 作，若不匹配，则忽略掉后面的操作。 来选择物理层芯片的 32 个寄存器中的某个寄存器的地址。 态转换域，若为读操作，则第一比特时 高阻态，第二比特时由物理层芯片使 “0”。若为写操作，则 由 芯片控制，其连续输出 “10”两个比特。 的寄存器的数据域， 16 比特，若为读操作，则为物理层送到的数据，若为写操作，则为 送到物理层的数据。 结束后的空闲状态，此时 源驱动，处于高阻状态，但一般用上拉电阻使其处在高电平，即 脚需要上拉电阻。 第二章 千兆以太网理论基础 17 17 据 帧 的 时 序 关 系 如 图 图 示：图 操作时序图 图 操作时序图 当 操作时， 为 “01”，映射的地址（ 6据写入到 定的寄存器里；当 操作时， 为 “10”，映射的地址（ 定的寄存器里读出 口的 16据。 物理层提供了将数据链路层给出的数据字节转换成可在物理介质上传输的合适信号的字段，同样它也负责将从物理介质 上接收到的信号转换成可向数据链路层传递的数据字节。千兆位以太网的物理层技术很大一部分是摘自光纤通道标准，在千兆位以太网中采用了最低两层的光纤通道技术、口与介质）和 码 /译码）。由于光纤通道技术已经应用了多年，所以 准委员会为了大大减少千兆位以太网标准的开发时间和风险，而决定采用这种技术。千兆位以太网的物理层由三个子层构成： 物理编码子层（ 用于提供与所用物理介质无关的数据编码和译18 基于 千兆以太网设计 18 码功能。但是在千兆位以太网中，光纤介质和短双绞线所采用的编码模式（光纤通道 8B/10B 编码）与 介质是不同的。 物理介质接入子层（ 完成符号的串行化和解串（ 由10 位符号一组组成的编码数据流在进行发送前要被串行化，另外接收到的数据流也应被解串行化，并以 10 位符号一组的形式传递给 层。 物理介质相关子层（ 负责将来自于 层的信号转换成适合特定介质类型的信号。如果介质是光纤，那么电信号将被转换成光信号，在接收方则是相反的过程。介质相关接口（ 义了 和介质之间的连接器。 P）是瑞士计算机科学院（ P 协议栈 13。 译器、操作系统和网络控制器做相关的修改工作，其运行既可以依赖于特定操作系统，也可以不需要操作系统独立运行。 P 实现的重点是在保持 议主要功能的基础上减少对 占用，一般它只需要几十 50右的 可以运行，使得 议栈很适合在嵌入式系统中使用。 特性主 要包括如下几方面： (1) 支持多网络接口下的 发； (2) 支持 议（ 制报文协议）； (3) 包括实验性扩展的的 户数据报协议）； (4) 包括阻塞控制， 算，以及快速恢复和转发的 输控制协议）； (5) 提供专门的内部回调接口 (于提高应用程序性能； (6) 可选择的 串口 线程情况下）； (7) 在最新的版本中支持 对点协议）； (8) 新版本中增加了的 支持； 第二章 千兆以太网理论基础 19 19 (9) 支持 议，动态分配 址（动态主机设置协议）。 目前使用最广泛 的轻型 P 免费协议栈，实现了较为完备的议，具有超时时间估计、快速恢复和重发、窗口调整等功能。 供了两种操作网络执行的 式： 常见的标准 式，有规范统一的上层函数接口，移植性好，便于理解和使用；而 理解为原始套接字方式，它与 比有更卓越的性能以及更低的内存占用，际上也是基于 实现的。因此，如果希望简 化开发，就选用 如果为了实现最好的网络性能，则应选用 在 个 识别的，但具体实现上也是与普通的协议栈类似，一种基本的 个步骤： 议栈初始化； 据发送与接收；关闭当前 接。类似的，在 议的数据传输流程也和 样，只是不需要独立的连接创建和关闭的过程。 20 基于 千兆以太网设计 20 第三章 以 太网数据传输硬件设计实现 21 21 第三章 以太网数据传输硬 件设计实现 计思想 本文研究的是基于 以太网的 数据处理，目的是能广泛应用于多种嵌入式网络设备的前端设计，如网络视频监控设备、 字电视设备、家庭智能设备等。根据 可重复擦写编程的特点，采用 文为了设计能满足于各种不同的以太网网络环境，和增强系统的可移植性，采取了一系列的措施。 首先，考虑到以太网高速而又庞大的数据量，尤其是载有音视频流的1000M 网络，以及开发的成本问题，我们引入了一种针对普通产品开发的片 列。 有并行执行的特点，相对于其他器件在数据处理上具有明显的速度上的优势，同时 列 有几百 至几千 块 源，可用于数据的缓存，完全可以满足于1000M 以太网数据量的要求 14。在 系统设计开发中，常常会采用某些具有特定功能的 以提高系统开发的效率，减少成本。考虑到开发周期和设计要求，本系统设计方案采用 司的 P 核实现对 据的主要处理工作，该 支持多种工作模式，同 时用户可以根据要求实现自定义配置。其次，为了实现网络的 址和址的自动映射，本系统还增加了对 据包的解析和 答功能的设计。除此之外，为了提高系统的通用性，物理芯片需能够支持1000/100/10M 以太网、双工 /半双工工作模式以及 1000M 光纤的接入。 统功能 根据以述的设计思想，为了满足大部分设备对以太网的 据处理的需求，确定了本系统设计的功能如下： 22 基于 千兆以太网设计 22 (1)支持 10M/100M/1000M 以太网； (2)支持双工 /半双工； (3)验和帧长度校验； (4)址滤波； (5)支持 析； (6)支持 准网口和 口的输入； (7)支持 口用户配置。 统总体结构设计 根据上述技术指标及设计思想，图 3出了本系统的总体结构框图。本系统可分为五大模块：以太网数据转换电路、 口模块、 心处理模块、用户配置模块和用户数据接口模块。 图 3统总体结构框图 （ 1） 以太网数据交换电路 以太网数据交换电路，主要功能是实现双绞线或光纤电缆的以太网物理层数据与 数据的转换，为 供处理的 据源和送出上传 据，是传输介质和 据交流的桥梁。 （ 2） 口模块 口模块，可分为接收 发送 口两个子模块，实现接收数据和发送数据的同步。 （ 3） 心处理模块 根据以上设计思想， 据的核心处理模块直接采用 第三章 以 太网数据传输硬件设计实现 23 23 P 核，可以完成 址滤波、数据 长度校验、封装 据帧格式等基本功能，对接受的数据进行相应的好坏标记和对上传的数据进行封装标记。 （ 4） 用户配置模块 用户配置模块主要是实现主控系统正确地完成 对 寄存器和系统地址信息（ 址和 址）的配置，同时实时地监控 的工作状态。该模块可分为 P 核配置两个子模块， 00Kb/2C 总线协议，模拟从设备 序； 配置子模块模拟 实现对 寄存器的配置。 （ 5） 用户数据接口模块 用户数据接口模块涉及对通过 处理后的接收数据帧和待上传的数据包两部分数据的处理以及 能的实现，可分为接收数据用户接口、上传数据用户接口、 析与应答三个子模块。 理层芯片选择 以太网物理层的处理工作大多数直接采用专业的物理层芯片来完成，完成数据的物理层编解码和收发功能 15。目前，物理层芯片的生产商以国外为主，如 司等，其主流产品为 100/10M 和 1000着以太网的速率的提高，万兆物理层芯片也被广泛应用于光纤以太网。国内对芯片的研发起步比较晚，华为、中兴、天津中晶微电子等企业近些年也推出了不少的产品，但是技术还有待发展。 88片是 司 列的一款千兆以太网收发器，主要应用 于 101001000以太网，采用 艺，能实现基于 屏蔽双绞线标准的以太网物理层数据的收发。 88口模式，有 一款应用广泛的以太网物理层芯片。 88片采用了 司的 拟电24 基于 千兆以太网设计 24 缆测试仪）功能，可以使用时域反射技术远程测试电缆故障，减少了设备应答和服务请求的次数，同时还能通过 测线缆潜在的问题和线 缆的开路、短路或阻抗不匹配问题，准确度能达到一米。另外， 88片具有先进的混合信号处理能力，可以以 1速率完成自适应均衡、消除反射或串扰、数据恢复、误码纠正等功能，是一款抗噪声能力强的低功耗以太网物理层芯片。 88片中嵌入了一个可选的 串转换 /串并转换器），可以直接与光纤收发器连接，实现 1000纤标准与1000绞线标准传输媒体的转换。通过选择， 88以通过 000绞线网络或 型可插拔）模块接入光纤网络，分别如图 3 3示。 图 38入双绞线网络 图 38入光纤网络 除了以上所述， 88片还支持光纤与铜线自动检测、网络连接的自动协商、可编程的 动等功能，方便了用户对以太网接入的开发。 根据本文系统设计的功能的要求，以太网物理层芯片需满足同时支持 种接口， 101001000准双绞线和千兆光纤介质的传输，半双工和双工切换的工作模式。 司的以太网 物理层芯片 88用 艺，是一款低成本、低功耗的千兆以太网物理层芯片，足以满足系统设计的要求 第三章 以 太网数据传输硬件设计实现 25 25 芯片选择 在 开发设计中， 片的选取非常重要，不合理的选取会导致一系列的后续设计问题，甚至会失败；合理的选取不仅避免设计问题，而且可以提高系统的性价比，延长产品的生命周期。通常， 片选取需从芯片的供货商和开发工具的支持、电气接口标准、硬件资源、速度等级、温度等级、封装形式、价格七个方面入手 16。 （ 1） 供货商和开发工具的支持 目前，主要 的 应商有 司、 司、 司和司等， 发展迅速，器件的淘汰率随之提高，为了延长产品的生命周期，最好选择货源比较足的主流器件。 从开发工具来看， 司的 司的 ，更新及时、功能强大、界面友好，支持本公司所有器件的设计开发和很多第三方软件的应用，如 ，能将器件的性能发挥到最佳。因此，一般在没有特殊要求情况下，器件从这两家公司中选取。 虽然 司的开发智能 程度相对 司要高一些，但 过 的使用可以达到更高的效率。目前，司的主流器件有 系列 ，其中 列主要应用 于逻辑 设计；要应用于简单数字信号处理， 列主要应用于高速逻辑设计， 列主要应用于高速复杂数字信号处理， 列主要应用于嵌入式系统。本设计只需要对 据帧做简单的逻辑处理和缓存等等， 列器件足以满足这一需求。 （ 2） 芯片的电气接口标准 目前，数字电路的电气接口标准非常多，在某些大型的系统设计中常常需要同时支持多种电气接口标准。本设计中的 接口电气标准只采用了 司的绝大部分器件均能够满足。 26 基于 千兆以太网设计 26 （ 3） 硬件资源 硬件资源是 片选取的重要指标，包括逻辑资源、 I/O 资源、布线资源、存储器资源和某些底层内嵌功能单元和内嵌专用硬核等。在 I/O 资源和逻辑资源的需求是最需要重点考虑的问题。逻辑资源一般要求消耗的资源不超过 70%，主流 件中，逻辑资源都比较丰富，比较容易选择。 I/O 资源需要注意的是避免过度的消耗，因为过度的消耗可能会导致 荷过重，器件发热量过大，以影响器件的速度性能、工作稳定性和寿命，设计中也要充分考虑器件的散热问题。另外，局 部布线资源也要充足，以免影响电路的运行速度。在一些特殊场合，特别是数据量比较大的情况下，还得考虑存储器资源，如 源。还有锁相环、 底层内嵌功能单元或内嵌专用硬核可以根据具体的设计作为参考需求。 （ 4） 速度等级 对于芯片速度等级的选取，有一个基本原则：在满足应用需求的情况下，尽量选择速度等级低的芯片。因为速度等级高的芯片更容易产生信号反射，增加价格成本，延长开发周期。本设计的主时钟最高位 125M， 4