基于FPGA的EMAC模块和FIFO模块

    IP核是指在电子设计中预先设计的用于搭建系统芯片的可重用构件，可以分为软核、固核和硬核三种形式。软核通常以可综合的RTL代码的形式给出，不依赖于特定的工艺，具有最好的灵活性。硬IP核是针对某种特定工艺生成的物理版图，具有最优化且可预知的面积、速度和功耗，但其可移植性和灵活性较差。固核是前两者在灵活性和性能之间的折衷。

以太网技术主要研究内容包括物理层和MAC子层。MAC子层控制器既可以集成于网络终端设备中实现网络接入，同时又是开发网桥、交换机等网络互连设备，延伸以太网传输范围的基础，在以太网接入中起到很关键的作用。另外，对于不同的以太网传输媒介，MAC子层不需要改动或者只需很小的改动。因此，开发以太网MAC控制器的IP核具有重要的意义。

以太网最重要的技术集中于物理层和MAC层。对于不同的传输介质，物理层屏蔽掉了信道的不同对MAC的影响，因此MAC层相对的改动要少的多，这使得设计MAC控制器IP核具有很强的实际意义。这里将使用xilinx公司的嵌入式三态以太网IP核来实现MAC核。

 

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关于MAC核，更多的资料请查看如下网址：

http://xilinx.eetrend.com/article/993

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1.2 系统框图和框图说明

由于系统AFDX接口采用的MAC方案物理结构和EMAC核的结构相似，本项目采用的是EMAC核的IP核进行设计。

由于该核具有大量的接口，所以系统在生成IP核后会根据用户的IP核的设置，自动生成其调用模块。这里根据系统的结构做简单的修正便可使用。

这里这个MAC核的基本物理结构如下所示：

 

 

 

    这里MAC核通过MII接口和PHY芯片进行外部通信，通过发送FIFO和接收FIFO进行FPGA内部数据的通信。

IP核的设置如下所示：

EMAC核具体的配置如下所示：

EMAC核的基本结构如下所示：

其设置如下所示：

这个界面就是设置两个MAC核，然后根据您提供的方案，选择DCR为host Type。

这里选择物理层接口为MII接口。选择这个接口以后，Speed选项将自动变为10/100Mbps。

后面几个选项保存默认就可。

由于MAC具有相当多的接口，非常的复杂。论文中就不需要多做介绍了。

 

两个MAC核的仿真结果如下所示：

MAC0核：

MAC1核：

这两个仿真图就是两个核的对外MII接口的仿真图。具体的时序含义可以产看PHY芯片的datasheet，里面有时序图。

    这里两个MAC核的仿真意义是相同的，所以这里就对第一个MAC核的仿真波形进行说明，当MAC核正常工作的时候，在数据发送的时候，这里mii_tx_en_0为帧使能信号，当有数据发送的时候，该信号为1，当发送为0的时候，该信号使能为0，mii_txd_0为发送的数据，接收信号，当有接收信号进入MAC核的时候，mii_rx_dv_0为高电平，对应的数据为接收的数据，当接收的数据发生错误的时候，mii_rx_er_0会出现高电平的，如果接收到的数据没有发生错误，那么该信号为低电平。

二、AFDX发送接收模块

发送

2.1模块说明

发送数据的基本过程如下：

要发送数据时，将待发送数据传输到MAC的发送缓存中。发送缓存接收到的数据达到设定值时，数据发送模块开始进行帧间隔计时。

发送帧的前导码；

发送帧起始定界符；

帧长计数和CRC校验和计算，同时将数据按半位元组(4bits)发送给MII接口；

在发送过程中，如果MAC检测到该帧的长度小于最小帧长(64字节)，则进行数据填充达到64字节为止。

AFDX帧结构详细解析

其含义为：

>前导码：7个字节长度的“10101010”比特信号；

>帧起始定界符(SFD)：为1个字节长度的“10101011”；

>目的地址(DA)：目的地址的长度为6个字节（48个比特：16bit的VL）。格式如图2所示；

>源地址(SA)：为6个字节，只能为单播地址。其格式如下所示：

>类型：固定值H0800；

> IP头：和802.3相同；

> UDP头：和802.3相同；

> AFDX数据域：数据长度为17~1471字节。为了满足最小帧长度的要求(≧64字节)，需要对短信息帧进行填充若干字节使之达到最小帧长。

  （这里设计时将考虑进行填充帧的方法达到小帧的最低要求64*8bit）；

>序列号：每条VL在发送每一个数据帧的时要加入序列号，用于区分冗余帧，序列号范围为0~255。对于相同的VL，每发送一个数据帧该序列号自动加1，序列号增加到255时下一个数据帧的序列号循环为1。

>帧校验序列(FCS)： CRC-32校验码。

注意：，其具体的结构为：

即在第三位到第八位为时间信息，这个时间信息为定时计数器输出的时间信息。

发送对数据进行封装并进行相应的控制。

根据上面的设计说明，整个AFDX帧的发送模块可以做如下的状态机设计：

     整个发送数据的帧结构含义为：

·一：发送7边“10101010”进入第二状态；

·二：发送一个“10101011”进入第三状态；

·三：发送一个 XXXX_XX11_XXXX_XXXX_XXXX_XXXX_XXXX_XXXX  +  XXXX_XXXX_XXXX_XXXX（VL）

·四：发送一个0000_0010_0000_0000_0000_0000_0000_0000 + “0000 + 网络号码（4位）” + “发送数据帧的端系统的编号(8位)” + “冗余网络(3位)” + “00000”

·五：发送：0000_1000_0000_0000

·六：发送：

“版本（4）”+“长度（4）”+“优先级服务类型（8）”+

“总长度（16）”+“标示符（16）”+“标示符（3）”+

“分段漂移（13）”+“生存时间（8）”+“生存时间（8）”+

“头部校验（16）”+“源IP地址（32）”+“源IP地址（32）”

·七：“源端口（16位）“ +“目的端口（16位）”+“长度（16位）”+”求校验和（16位）“

·八：发送具体的数据，其中数据的前面的部分为时间插入，之后为数据

·九：检测VL地址，如果是同一个VL地址，那么计数器就会加1，如果是不同的VL地址，计数器变为0.

·十： CRC校验码，为4输入的并行的CRC校验过程，如果不通过校验，则全为0，如果需要进行校验，则按以下的过程进行计算。

 

i_clk	系统时钟
i_rst	系统复位
i_start_or_not	发送使能信号
i_data	发送的数据，字节为单位
i_data_number	数据个数
i_aim_address	目的地址
i_orig_address	源地址
i_head_ip	IP头
i_head_udp	UDP头
o_afdx_frame	表示当前帧
o_afdx_frame2	表示当前帧
o_AFDX_data	根据输出格式，MII接口接收的是4bits的数据格式
o_AFDX_data2	根据输出格式，MII接口接收的是4bits的数据格式
current_state	状态转移信号

 

    AFDX数据的传输是全双工的，其发送数据的工作过程如下：

主机要发送数据时，首先将待发送的数据传输到MAC的发送缓存中。发送缓存接收到的数据达到设定值时，开始长度检测，检测完成后，数据发送模块开始进行帧间隔计时。根据帧计数器的值开始发送帧的前导码、发送帧起始定界符、将数据4bits发送给MII接口，从而最终由物理层将数据发送到网络介质上。

该模块的仿真结果如下所示：

    这里这里仿真波形的信号为i_start_or_not为高电平的时候，AFDX发送工作开始工作，i_data为需要发送的数据，i_data_number为需要发送数据的个数，i_aim_address为发送信号的目标地址，i_orig_address为发送的源地址，i_head_ip为发送信号的IP头，i_head_udp为发送信号。当发送开始的时候，系统首先检测需要发送的数据的长度，如果数据长度大于64，则开始发送，如果发送数据长度小于64，那么进行填充，补充到64为止。通过AFDX发送模块，得到发送的帧数据o_AFDX_data以及帧信号对应的帧使能信号o_afdx_frame。

//以下的内容可以不写。

发送模块的主要功能就是将数据封装，其基本流程如下所示：

Data加入前导码；

Data加入起始分界符；

Data加入目标地址；

Data加入源地址；

Data加入IP头；

Data加入UDP头；

通过上述的过程，可以讲数据进行封装。

 

2.5 程序流程图（状态机）

    发送状态机

以上就是AFDX发送部分的状态机，发送数据主要包括等待，数据长度检测，插入前导码和帧起始界定符，数据发送以及CRC校验结果状态。系统在工作的时候，一直处于wait状态，当需要发送数据的时候，状态机将进入下一个状态从而开始数据的发送。

   

接收

2.1模块说明

接收为发送的反过程，首先对接收都得4位信息进行帧检测，当检测到前导码和起始鉴定符的时候，认为一帧数据开始接收到了，然后开始对数据帧进行解析，得到帧数据中的各类数据信息。其理论和发送正好相反，这里就不多介绍了。

当MAC接收到数据有效后，从MII接口读入数据，然后开始检测前导码和帧起始定界符，当检测到有效的帧起始定界符，就认为是有效帧的开始，此时开始对帧长进行计数。数据接收模块在接收的过程中剥离了接收到的帧的前导域、SFD域、CRC域和PAD域。

AFDX接收过程，数据通过PHY芯片解码，进入到MAC核，然后进入接收FIFO。

2.2 仿真和仿真说明

其仿真结果如下所示：

这里当外部数据通过PHY解码后进入MAC核，接收端开始进入接收状态机，首先检测前导码和帧起始界定符。如果检测成果，那么系统进入下一个状态。从上图的仿真结果可以看到，当检测完前导码和帧起始界定符的时候，current_state将进入下一个状态。然后开始接收数据，o_data就为接收到的数据。

2.3 程序流程图（状态机）

    接收状态机

AFDX接收状态机处于初始状态，则一直在wait状态，当外部PHY有数据送入到MAC核中，那么当MAC核接收到数据和帧使能信号的时候，那么开始进入前导码状态搜索过程，然后进入帧起始界定符的状态，当成功检测之后，开始进行数据的接收，在接收过程中，如果接收到的帧长度过小或者过大，那么说明该帧无效，丢弃，当长度合适，那么开始接收数据。

 

三、MII模块

3.1模块说明

主机对物理层的管理是通过向MAC核的寄存器写指令，然后再通过MAC接口管理模块对外部物理层对应的寄存器进行配置来实现的。MII接口管理模块提供一个连接到外部PHY控制器的接口。

MII总线在IEEE802.3中规定的MII总线是一种用于将不同类型的PHY与相同网络控制器（MAC）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何PHY进行连接。

MII数据接口总共需要16个信号，包括TX_ER，TXD，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV等。MII以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz。其工作速率可达100Mb/s。MII管理接口是个双信号接口，一个是时钟信号，另一个是数据信号。

3.2 系统框图和框图说明

 

 

MII模块的主要功能就是将MAC核的数据和外部PHY进行数据的通信，将外部数据送入MAC核，或将MAC核的数据发送至PHY。

3.3 模块管脚说明

MAC模块对外部物理层对应的寄存器进行读/写配置来实现的。MII接口管理模块提供一个连接到外部PHY控制器的接口，用来配置PHY的寄存器并获得其状态信息。其接口如下所示：

 

这里主要是通过FPGA控制PHY，进行MAC和PHY信号的数据通信，PHY主要有16个脚。

其中数据的发送和接收为TXD[3:0]，RXD[3:0]，对应的时钟为TX_CLK，RX_CLK，控制MII模块的时钟为25Mhz

这里，我们设计的MII接口如下所示：

 

注意，这里的各个接口和你实际的接口对应如下所示：

你的接口	程序中对应的接口
TX_EN	MII_TX_EN
TX_ER	MII_TX_ER
TXD[3:0]	MII_TXD
TX_CLK	TX_CLK
RX_CLK	RX_CLK
RX_DV	MII_RX_DV
RX_ER	MII_RX_ER
RXD[3:0]	MII_RXD
CRS	MII_CRS
COL	MII_COL

 所以代码设计的脚和你的PHY芯片已经修改为对应的了。

     其几个重要接口脚的含义如下所示：

程序中对应的接口
MII_TX_EN	帧使能信号
MII_TX_ER	发送出错误使能信号
MII_TXD	发送的数据
TX_CLK	接收时钟
RX_CLK	发送时钟
MII_RX_DV	帧使能信号
MII_RX_ER	接收到错误使能信号
MII_RXD	接收的数据
MII_CRS	载波侦听
MII_COL	冲突

3.4 仿真和仿真说明

Mii的标准时序如下所示：

MII接收时序：

 

    接收数据，当信号RX_DV为1的时候，MII开始接收数据，每个时钟接收一个数据，如果没有接收到错误的数据，那么RX_ER始终为低电平。

MII发送时序：

 

    发送数据，当信号TX_EN为1的时候，MII开始发送数据，每个时钟发送一个数据i，此时CRS为高电平，并相对于TX_EN信号延迟一个时钟周期。COL为低电平信号。

 

    该模块的仿真如下所示：

 

这个模块就是通过MII口将MAC核和PHY芯片进行连接。实现FPGA和PHY的数据之间的传输。仿真图中红色仿真波形为MII接口和PHY芯片接口部分，而绿色的仿真波形对应的接口是和FPGA内部MAC核的接口。

四、CRC校验模块

4.1模块说明

CRC的全称为Cyclic Redundancy Check，中文名称为循环冗余校验。它是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强，在通信领域广泛地用于实现差错控制。实际上，除数据通信外，CRC在其它很多领域也是大有用武之地的。例如我们读软盘上的文件，以及解压一个ZIP文件时，偶尔会碰到“Bad CRC”错误，由此它在数据存储方面的应用可略见一斑。

差错控制理论是在代数理论基础上建立起来的。这里我们着眼于介绍CRC的算法与实现，对原理只能捎带说明一下。若需要进一步了解线性码、分组码、循环码、纠错编码等方面的原理，可以阅读有关资料。

利用CRC进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共k+r位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则，在差错控制理论中称为“生成多项式”。

4.2 系统框图和框图说明

32位的CRC校验过程如下所示：

   对应的CRC校验代码如下所示：

assign next_crc[0] = crc_reg[30] ^ d[1] ^ crc_reg[24] ^ d[7];

assign next_crc[1] = d[6] ^ d[7] ^ d[0] ^ crc_reg[30] ^ crc_reg[31] ^ d[1] ^ crc_reg[24] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[2] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ d[6] ^ d[7] ^ crc_reg[30] ^ d[0] ^ d[1] ^ crc_reg[31] ^ crc_reg[24] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[3] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ d[6] ^ d[0] ^ crc_reg[31] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[4] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ crc_reg[24] ^ d[3];

assign next_crc[5] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ d[6] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[29] ^ crc_reg[30] ^ d[0] ^ d[1] ^ crc_reg[31] ^ d[2] ^ crc_reg[24] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[6] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ d[6] ^ crc_reg[28] ^ crc_reg[29] ^ d[0] ^ crc_reg[30] ^ crc_reg[31] ^ d[1] ^ d[2] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[7] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ d[7] ^ crc_reg[29] ^ d[0] ^ crc_reg[31] ^ d[2] ^ crc_reg[24];

assign next_crc[8] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ d[6] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[24] ^ crc_reg[0] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[9] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ d[6] ^ crc_reg[28] ^ crc_reg[29] ^ d[2] ^ d[3] ^ crc_reg[25] ^ crc_reg[1];

assign next_crc[10] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ crc_reg[2] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ d[7] ^ crc_reg[29] ^ d[2] ^ crc_reg[24];

assign next_crc[11] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ d[6] ^ crc_reg[3] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[24] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[12] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ d[6] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[4] ^ crc_reg[29] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ d[2] ^ crc_reg[24] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[13] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ d[6] ^ crc_reg[29] ^ d[0] ^ crc_reg[30] ^ crc_reg[5] ^ crc_reg[31] ^ d[1] ^ d[2] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[14] = d[4] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[28] ^ crc_reg[30] ^ d[0] ^ d[1] ^ crc_reg[31] ^ crc_reg[6] ^ d[3];

assign next_crc[15] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[28] ^ crc_reg[29] ^ d[0] ^ crc_reg[31] ^ d[2] ^ crc_reg[7] ^ d[3];

assign next_crc[16] = crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[29] ^ d[2] ^ crc_reg[24] ^ d[3] ^ crc_reg[8];

assign next_crc[17] = crc_reg[9] ^ d[6] ^ crc_reg[29] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ d[2] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[18] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[10] ^ crc_reg[30] ^ d[0] ^ d[1] ^ crc_reg[31];

assign next_crc[19] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[11] ^ d[0] ^ crc_reg[31];

assign next_crc[20] = crc_reg[28] ^ crc_reg[12] ^ d[3];

assign next_crc[21] = crc_reg[29] ^ crc_reg[13] ^ d[2];

assign next_crc[22] = d[7] ^ crc_reg[14] ^ crc_reg[24];

assign next_crc[23] = d[6] ^ d[7] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ crc_reg[15] ^ crc_reg[24] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[24] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ d[6] ^ d[0] ^ crc_reg[31] ^ crc_reg[16] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[25] = d[4] ^ crc_reg[17] ^ crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[27];

assign next_crc[26] = d[4] ^ crc_reg[18] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[28] ^ d[7] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ crc_reg[24] ^ d[3];

assign next_crc[27] = d[6] ^ crc_reg[19] ^ crc_reg[28] ^ crc_reg[29] ^ d[0] ^ crc_reg[31] ^ d[2] ^ d[3] ^ crc_reg[25];

assign next_crc[28] = crc_reg[26] ^ d[5] ^ crc_reg[20] ^ crc_reg[29] ^ crc_reg[30] ^ d[1] ^ d[2];

assign next_crc[29] = d[4] ^ crc_reg[27] ^ crc_reg[21] ^ crc_reg[30] ^ d[0] ^ d[1] ^ crc_reg[31];

assign next_crc[30] = crc_reg[28] ^ d[0] ^ crc_reg[22] ^ crc_reg[31] ^ d[3];

assign next_crc[31] = crc_reg[29] ^ crc_reg[23] ^ d[2];

    管脚如下所示：

crc_reg	输出校验信息
crc	输出校验码
d	输入数据信息
calc	CRC使能信号
init	参数初始化使能信号
d_valid	数据输出使能信号
clk	时钟
reset	系统复位信号

4.4 仿真和仿真说明

    其仿真结果如下所示：

注意，这里直接根据理论知识验算一下结果就行了。具体就不用说明

这个模块的主要结构为：

 

按照系统的基本结构，偏向软件的方案，这个模块的功能在MB中使用软件进行设计，偏向硬件的方案，这个模块的功能主要在FPGA中进行设计。

经过研究，这个功能模块在FPGA中使用verilog进行设计更加方便。此模块的主要针对接收数据包时进行使用，而在数据发送时，主要屏蔽该模块就行了。

给每个VL分配固定带宽，相当于把端与端之间的一次数据传输限制在某个固定的时间段(即BAG)，即在这个时间段之内只允许发起一次数据传输；即使有多个帧要发送(例如数据包过大，需要分多个帧发送)，也必须分配到各自的时间段进行发送。在整个网络设计中，必须把一个时间段合理地分配给不同的终端系统使用，保证任意时间段使用的带宽都是可以被确定的。

 

 

从上面的图可以看出，两个数据帧之间的长度大于BAG，那么正常接收，当两个数据帧之间的长度小于一个BAG，那么将后一个数据帧移动到第二个BAG的起始位置。

 

 

5.2 系统框图和框图说明

   这里不涉及到具体的框图，略。

5.3 模块管脚说明

i_clk	输入时钟
i_rst	系统复位
i_frame_enable	输入帧使能信号
i_afdx_data	输入AFDX数据
rd_en	数据读使能信号
o_afdx_data	输出规整AFDX数据
o_frame_enable	输出规整后的帧使能信号

5.4 仿真和仿真说明

    规整模块的主要工作流程如下所示：

将这个数据输入到FIFO，根据实际的帧使能信号作为FIFO的写入信号，那么在FIFO中，输入的数据包将以如下的格式排列：假设数据包：4’bA，0，0，0，4’b B，0，0，4’b C，0，0，0，0，4’b D，0，0，4’b E，0，0，0，4’b F，。。。。。。。。其时序信号为：

 

 

本文地址：https://blog.csdn.net/ccsss22/article/details/109274060