以太網(wǎng)控制器芯片的設計及實現(xiàn)

網(wǎng)絡控制器芯片的功能與設計實現(xiàn)
IEEE 802.3協(xié)議是針對以太網(wǎng)CSMA/CD標準的傳輸介質(zhì)物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC、Media Access Control）來定義的。芯片由PHY、發(fā)送模塊、接收模塊、FIFO、控制模塊組成，其中控制模塊包括寄存器堆、DMA（Direct Memory Access）模塊、流量控制模塊、接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)組成。網(wǎng)絡控制器芯片的功能框圖如圖1所示。

圖1 以太網(wǎng)控制器芯片的功能框圖

1 IEEE 802.3以太網(wǎng)MAC數(shù)據(jù)幀結構
在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送模塊自動在待傳數(shù)據(jù)前加上7字節(jié)的前導碼和1字節(jié)的幀起始定界符，緊隨的是6字節(jié)的目的地址和6字節(jié)的源地址，然后長度/類型為2字節(jié)，接著是數(shù)據(jù)區(qū)，然后是46～1500字節(jié)的數(shù)據(jù)。若發(fā)送時，數(shù)據(jù)長度小于最短長度46字節(jié)，發(fā)送模塊自動填補，以達到最小長度，最后是4個字節(jié)的循環(huán)冗余校驗碼。

2 發(fā)送模塊
發(fā)送模塊的作用就是按照CSMA/CD協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送模塊狀態(tài)機控制協(xié)調(diào)各個發(fā)送子模塊的時序，發(fā)送模塊狀態(tài)機如圖2所示。

圖2 發(fā)送模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

S_defer狀態(tài)表示網(wǎng)絡忙，若網(wǎng)絡空閑了，經(jīng)過最小的幀間隙時間，進入網(wǎng)絡空閑狀態(tài)S_idle。若需要發(fā)送數(shù)據(jù)包，經(jīng)過S_pre，S_data，S_pad，S_crc等狀態(tài)發(fā)送，在這當中若檢測到?jīng)_突信號，就進入S_jam狀態(tài)。在S_jam狀態(tài)判斷是local collision還是late collision，若是local collision就進入S_back狀態(tài)，按照退避算法重發(fā)當前數(shù)據(jù)幀，否則直接進入網(wǎng)絡忙狀態(tài)，放棄該幀的發(fā)送。

3 接收模塊
接收模塊的任務就是接收數(shù)據(jù)幀。物理接口收發(fā)器PHY將收到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)變成二進制數(shù)據(jù)送給接收模塊，接收模塊再把正確的數(shù)據(jù)經(jīng)過接收FIFO和DMA的控制送給接收緩沖區(qū)。接收模塊的功能還包括移除接收到幀的前導碼/幀分隔符；比較目的地址，判斷是否丟棄當前數(shù)據(jù)幀；對接收到的數(shù)據(jù)包做CRC校驗，判斷傳輸過程中數(shù)據(jù)是否出錯。接收模塊狀態(tài)機是接收模塊的核心，控制協(xié)調(diào)接收模塊的各個子模塊的工作與時序。接收模塊狀態(tài)機如圖3所示。

圖3 接收模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

復位后，狀態(tài)機進入S_idle狀態(tài)，若數(shù)據(jù)是無效的，就停留在S_idle狀態(tài)，否則進入S_pre狀態(tài)。S_pre狀態(tài)和S_sdf狀態(tài)的作用就是去掉前導碼和幀間隔符。當幀間隔符全部檢測到，進入S_data狀態(tài)，在S_data狀態(tài)使用字節(jié)計數(shù)器，記錄所收到數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)，用于比較目的地址。若目的地址匹配則將接收到的數(shù)據(jù)寫入到接收FIFO，否則丟棄該幀，不寫入到FIFO。字節(jié)計數(shù)器的作用還有判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否超過幀的最大長度。若在S_pre狀態(tài)、S_sdf狀態(tài)或S_data狀態(tài)出現(xiàn)數(shù)據(jù)有效信號無效的情況，都進入到S_drop狀態(tài)。

圖4 核心模塊的功能仿真

4 控制模塊
控制模塊包含DMA（direct memory access）模塊、流量控制模塊、緩沖區(qū)模塊、寄存器堆模塊和總線接口模塊。DMA模塊的功能是將接收FIFO的數(shù)據(jù)搬運到接收緩沖區(qū)，以及發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)搬運到發(fā)送FIFO。流量控制模塊端口阻塞的情況下丟幀，這種方法是當接收緩沖區(qū)開始溢出時，通過將阻塞信號發(fā)送回源地址實現(xiàn)的。流量控制可以有效地防止由于網(wǎng)絡中瞬間的大量數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡帶來的沖擊，保證用戶網(wǎng)絡高效而穩(wěn)定地運行。兩種控制流量的方式：（1）在半雙工方式下，流量控制是通過反向壓力（backpressure），即我們通常說的背壓計數(shù)實現(xiàn)的，這種計數(shù)是通過向發(fā)送源發(fā)送jamming信號使得信息源降低發(fā)送速度。（2）在全雙工方式下，流量控制一般遵循IEEE 802.3X標準，是由交換機向信息源發(fā)送“pause”幀令其暫停發(fā)送。緩沖區(qū)模塊由一塊32KB的SRAM組成，分為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的大小可以由用戶編程決定。緩沖區(qū)以分頁的方式來管理，256B為一頁。主機通過總線接口與芯片交換數(shù)據(jù)，通過讀寫寄存器堆來控制芯片的工作。

設計驗證
本文給出核心功能的驗證過程。把這些核心功能模塊連接成一個環(huán)路（發(fā)送模塊直接與接收模塊相連接），發(fā)送模塊按照802.3協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)包，接收模塊按照802.3協(xié)議處理這些數(shù)據(jù)包，符合要求的數(shù)據(jù)包送到（接收緩沖區(qū)），這些模塊在Mentor公司的ModelsimSe5.8里面功能仿真波形如圖5所示。

圖5 芯片的實現(xiàn)流程

圖中，clk為系統(tǒng)時鐘；rst為復位信號；tx_req為發(fā)送FIFO請求信號，讓DMA從發(fā)送緩沖區(qū)搬運數(shù)據(jù)到發(fā)送FIFO；tx_fifo_data_out是從發(fā)送FIFO里面出來的8數(shù)據(jù)，發(fā)送模塊封裝這些數(shù)據(jù)，發(fā)送給PHY；這里沒有對PHY進行驗證，把發(fā)送模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)TXD和數(shù)據(jù)使能TXEN直接與接收模塊數(shù)據(jù)端和數(shù)據(jù)有效信號分別相連接；接收模塊把TXD進行串并轉(zhuǎn)換，得到8為rx_data；byte_cnt為接收到rx_data的個數(shù)。

功能仿真通過之后，把核心模塊連接成一個整體（SRAM直接調(diào)用Quartus II的IP Core），通過Quartus II綜合以后，下載到FPGA開發(fā)板里面。用FPGA模擬網(wǎng)絡控制器芯片，與計算機進行通信。FPGA與PC通過RJ-45相連。應用軟件發(fā)一數(shù)據(jù)包給FPGA，接收模塊接收到數(shù)據(jù)包后，通過DMA將數(shù)據(jù)從FIFO搬運到接收緩沖區(qū)。一包數(shù)據(jù)接收完成后，通過附加邏輯，讓FPGA發(fā)送出剛剛接收到的數(shù)據(jù)包，附加邏輯還完成了把接收到的數(shù)據(jù)按位取反的功能。應用軟件顯示PC收到的數(shù)據(jù)包，通過比較PC發(fā)給FPGA的數(shù)據(jù)包和FPGA發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)包，驗證了核心模塊的功能正確（FPGA的附加邏輯將接收到的數(shù)據(jù)包進行了按位取反操作）。

芯片實現(xiàn)
設計驗證通過以后，經(jīng)過圖5所示的流程，得到整個芯片的版圖。

本次流片采用華虹NEC 0.35μm CMOS工藝，芯片面積為5640μm×5480μm（不計劃片槽和緩沖區(qū)），芯片有100個管腳。芯片的右上部分是實現(xiàn)MAC層的數(shù)字區(qū)，左下區(qū)域是華虹NEC提供的IP Core--32KB的SRAM，用作緩沖區(qū)，右下區(qū)域完成PHY功能，周圍是管腳。