曹云鵬, 錢敏, 楊翠軍

(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院微電子系,江蘇 蘇州 215006)

0 引言

當(dāng)前,由Soc組成的嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的進入到人們的生活中,不管在手機、電視、工業(yè)控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,都可以看到嵌入式系統(tǒng)的身影。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,服務(wù)不斷增加,嵌入式互聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮越來越重要的作用。因此,對嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)通信的研究是非常必要的[1]。目前應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)的嵌入式以太網(wǎng)媒體訪問控制層(MAC)也被廣泛研究[2-3]。

該嵌入式以太網(wǎng)控制器基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)平臺實現(xiàn)了符合 IEEE 802.3MAC層通信協(xié)議。設(shè)計的重點目標(biāo)是：能夠支持 10 Mb/s、100 Mb/s兩種工作速率、全雙工/半雙工兩種工作模式、基于IEEE802.3x的全雙工流量控制、靈活的收發(fā)選項、并能通過媒體無關(guān)接口(MII)與以太網(wǎng)物理層(PHY)芯片進行通信。

1 以太網(wǎng) MAC子層協(xié)議

IEEE 802.3協(xié)議把數(shù)據(jù)鏈路層分為 MAC子層、邏輯鏈路控制(LLC)子層及可選的 MAC控制子層,如圖 1(a)所示?？蛇x的MAC控制子層提供了全雙工流量控制結(jié)構(gòu)。MAC子層使LLC子層適應(yīng)不同的媒體訪問技術(shù)和物理媒體,其主要實現(xiàn)的基本功能有：數(shù)據(jù)的封裝及解封,包括發(fā)送前幀的組合和接收中、接收后的差錯檢測;媒體接入管理,包括媒體分配(即沖突避免)、競爭處理(即沖突的處理)[4]。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式如圖 1(b)所示。前導(dǎo)碼用于同步收發(fā)雙方,包括 7個字節(jié)的 10101010。幀起始符(SFD),代碼為 10101011,表示一幀的開始。目的/源地址中目的地址的最低位用來決定是單播(‘0')還是組播(‘1')。長度/類型域指定待收發(fā)數(shù)據(jù)的長度或傳輸類型。待收發(fā)數(shù)據(jù)由上層協(xié)議提供。填充位(PAD)用來保證幀長至少是 64字節(jié)。幀校驗序列(FCS)的值通過對目的/源地址、長度/類型、待收發(fā)數(shù)據(jù)和填充位的 CRC(循環(huán)冗余校驗碼)的計算得到。

圖 1 OSI參考模型和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式

2 雙速自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器 MAC架構(gòu)

該控制器主要由發(fā)送/接收模塊、流量控制模塊、MII、寄存器模塊和總線接口模塊等幾部分組成。它通過總線接口連接 WISHBONE片上總線,并與片上處理器和其外圍設(shè)備通信;通過MII與以太網(wǎng)物理層芯片連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),并由MIIM(MII管理模塊)實現(xiàn)對物理層芯片的控制和管理,完成自適應(yīng)等功能,結(jié)構(gòu)參考圖 2。

圖 2 以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)框

2.1 總線接口部分設(shè)計

設(shè)計采用 WISHBONE片上總線規(guī)范,通過總線接口連接總線并與片上處理器和共享存儲器等通信,其包括主設(shè)備接口和從設(shè)備接口。從設(shè)備接口用于處理器讀寫以太網(wǎng)控制器的配置寄存器和描述符寄存器(BD_RAM),以控制其工作狀態(tài);主設(shè)備接口主要用來實現(xiàn) DMA功能,將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從共享存儲器讀到發(fā)送 FIFO中或?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)從接收FIFO存儲到共享主存儲器中。

2.1.1 從設(shè)備接口及仲裁的設(shè)計

仲裁器的作用是判決設(shè)備的使用權(quán)。該以太網(wǎng)控制器的發(fā)送過程和接收過程分別由發(fā)送描述符和接收描述符來控制,發(fā)送邏輯和接收邏輯需要訪問 BD_RAM;發(fā)送/接收描述符由處理器來配置,處理器通過讀取發(fā)送/接收描述符來獲取發(fā)送/接收信息。該項目中設(shè)計了一個仲裁邏輯,來決定從設(shè)備BD_RAM的使用權(quán)。

優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種：一種是固定優(yōu)先級算法,一種是循環(huán)優(yōu)先級算法[5]。固定優(yōu)先級的的好處是電路簡單、硬件開銷少、但容易發(fā)生優(yōu)先級低的設(shè)備“餓死”的現(xiàn)象。在循環(huán)優(yōu)先級中,每個設(shè)備都能上升為最高優(yōu)先級,從而保證了每個設(shè)備都能擁有從設(shè)備的使用權(quán)。

該設(shè)計采用循環(huán)優(yōu)先級算法,其控制邏輯通過一個有限狀態(tài)機實現(xiàn)。總線主設(shè)備(WbM)、以太網(wǎng)發(fā)送邏輯(TxL-gic)、以太網(wǎng)接收邏輯(RxLogic)的訪問優(yōu)先權(quán)按照 WbM-＞RxLogic-＞TxLogic-＞W(wǎng)bM的順序進行流轉(zhuǎn);當(dāng)控制權(quán)進行切換時,仲裁器總是把 BD_RAM授予最高優(yōu)先權(quán)。當(dāng)總線主設(shè)備通過總線對以太網(wǎng)控制器的 BD_RAM進行操作時,必須要首先通過總線仲裁(第一級仲裁)來獲得總線的控制權(quán)。二級仲裁(即BD_RAM訪問仲裁)可能會增加訪問遲滯,因此在設(shè)計中,把來自總線的訪問請求作為默認(rèn)訪問請求,與 Idle狀態(tài)交替控制 BD_RAM。

2.1.2 主設(shè)備接口及仲裁的設(shè)計

主設(shè)備接口用來實現(xiàn) DMA功能,把發(fā)送或接收到的數(shù)據(jù)幀讀出或?qū)懭肫瞎蚕泶鎯ζ髦?。發(fā)送邏輯和接收邏輯要使用同一主設(shè)備接口訪問存儲器,因此可能存在競爭;為解決該問題,在主設(shè)備接口模塊中設(shè)計了一個仲裁狀態(tài)機。

該狀態(tài)機由“主接口發(fā)送邏輯控制”、“主接口接收邏輯控制”、“存儲器讀”、“存儲器寫”、“主接口存取結(jié)束”、“總線釋放”、“發(fā)送突發(fā)”、“接收突發(fā)”幾個信號組成,采用循環(huán)優(yōu)先級算法。發(fā)送邏輯和接收交替享有控制優(yōu)先權(quán),當(dāng)其中一個進行完一次總線操作后就釋放主設(shè)備總線接口,將控制權(quán)交給另一方。

“發(fā)送突發(fā)”信號決定讀操作進入何種工作狀態(tài),當(dāng)發(fā)送FIFO剩余空間和主存儲器的待讀數(shù)據(jù)都大于 4個字時,該信號置高。當(dāng)發(fā)送邏輯取得主設(shè)備接口控制權(quán)后,若“發(fā)送突發(fā)”信號有效,進入突發(fā)操作狀態(tài),讀取 4個字的數(shù)據(jù)。在“突發(fā)讀 3”狀態(tài),“發(fā)送突發(fā)”信號被置低,標(biāo)志一次突發(fā)操作結(jié)束,進入釋放總線狀態(tài)。當(dāng)“發(fā)送突發(fā)”信號為 0時,進入“單次讀”狀態(tài),讀取 1個字后,就釋放總線。接收邏輯進行 DMA操作過程和發(fā)送類似。

2.2 MAC部分設(shè)計

2.2.1 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊主要實現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議,包括數(shù)據(jù)的封裝、媒體管理、信道獲取、沖突處理等。發(fā)送模塊把從發(fā)送FIFO中讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)封裝后轉(zhuǎn)換為 4比特傳送給物理層芯片,并能完成相關(guān)退避(back-off)操作和CRC值的計算,同時監(jiān)視來自物理層的信號(載波和沖突信號)。

該模塊由發(fā)送控制邏輯、發(fā)送計數(shù)器、隨機數(shù)生成器和CRC產(chǎn)生器等組成。其中發(fā)送控制邏輯是整個發(fā)送模塊的核心,用以管理整個功能子模塊,使之協(xié)同工作,狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖 3所示。

圖 3 以太網(wǎng)發(fā)送控制狀態(tài)機(實線表示在全雙工模式下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;半雙工模式,包括實線和虛線兩部分)

2.2 .2接收模塊

接收模塊主要完成數(shù)據(jù)的解封和媒體管理。解封功能包括響應(yīng)物理層芯片的“數(shù)據(jù)有效”信號,接收 4bits數(shù)據(jù),移除前導(dǎo)碼和 SFD后,將其轉(zhuǎn)化為整字節(jié)后存儲到接收 FIFO中,同時完成對目的地址和CRC值的檢測。媒體管理功能包括判斷幀的有效性(即是否為殘幀、幀是否字節(jié)對齊等)。

該模塊主要由接收控制器、接收計數(shù)器、地址檢測和CRC校驗等子模塊組成。其中接收控制器是整個接收模塊的核心,用以管理各功能子模塊,并實現(xiàn)接收時序,狀態(tài)機轉(zhuǎn)換如圖 4所示。

圖 4 以太網(wǎng)接收控制狀態(tài)機(實線表示在全雙工模式下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,半雙工模式下,包括實線和虛線兩部分)

2.2 .3流量控制模塊

流量控制模塊提供符合IEEE802.3x標(biāo)準(zhǔn)的全雙工流量控制,在MAC控制子層的框架下以暫停操作實現(xiàn)控制機制。主要完成發(fā)送幀隊列中插入控制幀,對收到的控制幀分析并完成暫停操作。

該模塊主要包括發(fā)送控制幀子模塊、接收控制幀子模塊和控制邏輯三個部分。當(dāng)高層協(xié)議來不及處理連續(xù)接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀時,置位配置寄存器的“暫停幀發(fā)送請求”位,流量控制模塊就會產(chǎn)生控制幀交給發(fā)送模塊發(fā)送出去;此時,發(fā)送模塊不再和發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)通道相連。若發(fā)送模塊此時有數(shù)據(jù)幀正在發(fā)送,發(fā)送控制幀不能打斷當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的發(fā)送,必須等待數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢再發(fā)送控制幀;同時由于控制幀格式的要求,必須添加 PAD和 FCS。

接收控制幀子模塊用來監(jiān)測接收模塊接收到的是否為控制幀;若接收到控制幀,暫停計數(shù)器鎖存控制時間參數(shù) N作為初始值,然后每隔一定間隔時間減"1"。當(dāng)計數(shù)器減到0后,發(fā)送模塊恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 MIIM

MIIM用于設(shè)置PHY寄存器并獲得其狀態(tài)信息,同時與PHY芯片配合完成自適應(yīng)功能。該模塊是一個兩線接口：MDC(時鐘線)和 MDIO(雙向數(shù)據(jù)線),主要包括時鐘產(chǎn)生子模塊、輸出控制子模塊、移位寄存器模塊和控制邏輯4個部分。

以太網(wǎng)控制器的自適應(yīng)功能主要由物理芯片的自動協(xié)商功能體現(xiàn)。自動協(xié)商功能使在網(wǎng)絡(luò)連接的兩端之間可以交換配置信息,自動選擇最優(yōu)的配置。

設(shè)計選用Realtek公司的RTL8201CP作為物理芯片。該芯片支持 10 Mb/s全 /半雙工、100 Mb/s全/半雙工 4種工作模式,自動協(xié)商功能自動選擇性能最高的工作方式。

3 仿真與驗證

仿真工具采用了產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用廣泛的Mentor公司的ModelSim Plus 6.4 SE,用 VerilogHDL語言構(gòu)建了測試向量,模擬了 WISHBONE總線系統(tǒng)(包括處理器,總線仲裁,存儲器等)以及物理芯片行為級模型,它們和以太網(wǎng)控制器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)架構(gòu)。仿真結(jié)果表明該設(shè)計完全實現(xiàn)了相關(guān)功能。

在硬件測試平臺的搭建中,FPGA采用 ALTERA公司的EP3C16Q240C8,外圍接入RTL8201CP作為PHY芯片。通過移植Linux操作系統(tǒng)和相關(guān)驅(qū)動,成功實現(xiàn)了以太網(wǎng)絡(luò)的通信操作[6-7]。圖 5顯示了通過以太網(wǎng)進行 Tftp操作情況;客戶端運行在 MAC測試平臺上,服務(wù)器端運行在PC上,同時在PC端安裝Sniffer軟件抓取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。

圖5 Sniff軟件抓取的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包

4 結(jié)語

相對于目前有關(guān)報道單純著重于以太網(wǎng)MAC IP的應(yīng)用或者仿真驗證,提供了一種基于嵌入式 10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器 MAC的設(shè)計方法,通過軟件仿真和硬件驗證,證明基于 WISHBONE總線的以太網(wǎng)控制器 MAC設(shè)計是有效的,可以在嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用。鑒于目前嵌入式千兆以太網(wǎng)尚未大規(guī)模應(yīng)用,下一步將對千兆以太網(wǎng)MAC進行研究[8]。

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