基于FPGA的以太网设计（二）

一.以太网硬件架构概述

前文讲述了以太网的一些相关知识，本文将详细讲解以太网的硬件架构

以太网的电路架构一般由MAC、PHY、变压器、RJ45和传输介质组成，示意图如下所示：

PHY：Physical Layer，即物理层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。简单来讲，就是PHY芯片决定了电信号/光信号如何传输。PHY主要是个模拟芯片，我们只要稍微了解一下就行。在千兆以太网设计中，PHY芯片一般都是独立的集成芯片，并不需要在FPGA层面上来设计PHY，我们只需要掌握好PHY和MAC之间的接口，以及PHY的一些常见寄存器配置即可。

MAC：Media Access Control，即媒体访问控制。MAC是数据链路层的芯片，它的功能是提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

隔离变压器：Transformer，也叫网络变压器。它主要实现电气上的功能而不实现逻辑功能。比如增强信号从而使传输距离更远；使芯片端与外部隔离，大大增强抗干扰能力，同时对芯片起到了很大的保护作用（如雷击）。理论上变压器不是必需的，没有变压器以太网物理层也能正常工作，只是电气性能会下降，传输距离会受限。

RJ45：网络连接器，RJ是Registered Jack的缩写即 “注册的插座” 。网络连接器并不一定是RJ45，只是目前在千兆以太网中，RJ45是最常见的连接器。它实现的是连接不同主机的网络接口的功能。

传输介质：也就是俗称的 “网线” 。电信号/光信号在这上面以一定的规范进行传输，它是发送和接收信息的载体。传输介质可以分为有线和无线两个大类，有线就是我们日常生活中常见的网线，而无线则是电磁波，例如WIFI和手机通讯等。

1.PHY芯片

PHY是物理层的芯片，它负责实现数据在物理层的传输功能。PHY芯片将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质上；同时从接收的模拟信号中恢复出数字信号，再传输到上层芯片处理。

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址、数据还是CRC校验值），然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去；收数据时的流程反之。

PHY芯片的主要作用是通过网络介质（例如双绞线或光纤）传输数据。具体地说，它需要完成以下任务：

将数字信号转换为模拟信号，并输出到网络介质上
监测网络介质上的信号质量，并根据需要调整发送功率、电流等参数
从网络介质上接收模拟信号，并将其还原为数字信号
根据协议规范和控制器芯片的指令，对接收到的数据进行错误检测、纠错、解码等处理
将处理后的数据输出到MAC芯片或其他高层芯片进行进一步处理

PHY芯片的类型有很多，以我的开发板上的RTL8211F为例，其工作时的框图如下所示：

其结构框图如下所示：

引脚分配组成如下：

这里只需要了解其比较重要的几个对外接口即可：

MDIO接口：即Management Data Input/Output，管理数据输入输出接口，也称为 SMI 接口（Serial Management Interface，串行管理接口）。它的主要功能是对PHY内部的寄存器进行读取和配置，速率比较低，一般在10M以下，协议也比较简单。现在的PHY其实都设计得比较先进了，一般上电就可以直接使用，比不需要对内部寄存器进行多余的配置，除非一些特殊的需求。但为了确保PHY的稳定运行，有时候也需要定时读取PHY的一些状态寄存器来确定其处于正常的运行状态。

MDI接口：即Medium Dependent Interface，介质相关接口。它连接的是物理层芯片即PHY和传输介质，也就是说发数据时，MAC把数据通过xMII接口传递到PHY，PHY进行编码等一系列处理后，通过MDI接口发送到传输介质，这样就把数据从主机传出去了；接收数据的过程类似。

RGMII接口：PHY 的 MII 接口有很多种，例如 MII、 GMII、 RGMII、 SGMII、 XGMII、 TBI、 RTBI 等。其中 RGMII 的主要优势在于，它可同时适用于 1000M、 100M、 10M三种速率，而且接口占用引脚数较少。但也存在缺点，其一， PCB 布线时需要尽可能对数据、控制和时钟线进行等长布线。其二，对其时序约束较为严格。

2.RGMII接口信号

RGMII 使用 4bit 数据接口采用上下沿 DDR（Double Data Rate）的方式在一个时钟周期内传输 8bit 数据信号，即上升沿发送或者接收数据的低 4 位[3:0]，下降沿发送或者接收数据的高 4 位[7:4]。同理，使用1bit控制接口采用 DDR 的方式在一个时钟周期内传输 2bit 控制信号，即在上升沿发送或者接收数据使能信号（TX_EN、RX_DV），下降沿发送数据错误信号与使能信号的逻辑异或值（TX_ERR xor TX_EN、RX_ERR xor RX_DV），根据该信号可以计算出相应的数据错误信号。

发送端：

TXC：发送数据信号和控制信号对应的同步时钟信号(125M、25M、2.5M)

TXD[3:0]：发送数据信号，4bit位宽

TX_CTL：发送控制信号发送端信号时序如下图所示。

接收端：

RXC：接收数据信号和控制信号对应的同步时钟信号（125M、25M、2.5M）

RXD[3:0]：接收数据信号，4bit位宽

RX_CTL：接收控制信号接收端信号的时序如下图所示。

发送端：关于发送端 TX_EN(GMII_TX_EN)、TX_ERR(GMII_TX_ER)、TXD[7:0]信号不同组合对应的含义如下图表所示。

在大部分应用中，我们只需要关注最后两种即可。当 TX_CTL 上升沿和下降沿均为 1 时，表示数据有效，无任何错误。当TX_CTL上升沿为 1，下降沿为0时，表示当前时钟周期的8位数据错误。

接收端： 同理，接收端关于 RX_DV(GMII_RX_DV)、RX_ERR(GMII_RX_ER)、RXD[7:0]信号不同组合对应的含义如下图表所示。

与发送端类似，我们首先需要关注最后两种，即当 RX_CTL 上升沿和下降沿均为 1 时，表示数据有效，无任何错误。当 RX_CTL 上升沿为 1，下降沿为 0 时，表示当前时钟周期的数据错误。除此之外，表中前三项是很有意义的组合类型，这也是为什么 RGMII 接口可以同时支持 1000/100/10M 三种速率的一个重要因素。它利用数据帧(frame)之间的发送间隔传递当前连接的状态信息。通过这些信息可以判断当前链路的状态、速率、双工情况。

RGMII 接口适用于1000M、100M、10M三种传输速率。

当工作于 1000M 时，时钟信号 TXC 和 RXC 均为 125MHz，4bit 数据信号上下沿值均有效，控制信号上下沿值也均有效。

当工作于 100M 时，时钟信号 TXC 和 RXC 均为 25MHz，4bit 数据信号只有上升沿值[3:0]有效，相当于此时数据信号切换为单沿 SDR（Single Data Rata）4 位传输模式。控制信号仍为上下沿有效。

当工作于 10M 时，时钟信号 TXC 和 RXC 均为 2.5MHz，数据信号和控制信号的使用不 100M 速率时完全相同。

3.RGMII接口时序

对于FPGA来说，这是一种典型的DDR源同步接口。当RGMII接口工作于1000M速率时，TXC 和 RXC 时钟信号都为 125MHz，那么单个接口的数据率便等同于 250Mbps，单个信号的有效数据窗最大为4ns。在 FPGA 中设计高速源同步接口的重点在于时序控制和时序约束。

一般的 PHY 芯片都支持两种 RGMII 发送端口的时序关系。一种称为非延时模式，如下图所示。

即要满足时钟信号 TXC 的边沿对准数据信号 TXD[3:0]和控制信号 TX_CTL 有效窗口中心附近的位置，也就是说TXC 比其他信号存在 2ns（90°相位）左右的延时。

另一种为延时模式，如下图所示。

这种时序要求 TXC 的边沿与其发送的数据 TXD 和控制信号 TX_CTL 边沿对齐，所有信号具有相同的相位。一般来说，大部分 PHY 芯片默认都是采用正常时序模式（非延时模式），可通过 MDIO 接口设置寄存器，或者芯片特殊功能引脚将其配置为延时模式。

RGMII 接收端口同样也存在两种时序关系，同为非延时和延时模式。非延时如下图所示。此时，时钟信号 RXC不跟RXD 和 RX_CTL的边沿对齐，具有相同的相位。

延时模式如下图所示：

RTL8211FD 通过设置引脚为上拉或者下拉来设置延迟，这里需要用户注意的是虽然开发板硬件上没有明确上拉和下拉，但是开发板上RTL8211依然工作在delay模式下，以下是发送或者接收接口的延迟设置：

4.原语使用

在 7 系列 FPGA 中实现 RGMII 接口需要借助 5 种原语，分别是：IDDR、ODDR、IDELAYE2、ODELAYE2(A7 中没有)、IDELAYCTRL。其中，IDDR 和 ODDR 分别是输入和输出的双边沿寄存器，位于 IOB 中。IDELAYE2 和ODELAYE2，分别用于控制 IO 口输入和输出延时。同时，IDELAYE2 和 ODELAYE2 的延时值需要使用原语IDELAYCTRL 来进行校准。另外，需要注意的是，在 7 系列器件的 HR Bank 中没有 ODELAYE2，只有在 HP BANK 中才有 ODELAYE2)。 IDDR 将输入的双边沿 DDR 信号，在输出端恢复为两个并行单边沿 SDR 信号。IDDR 的原语如下。详细参数可参考 UG471。

IDDR #(

.DDR_CLK_EDGE("OPPOSITE_EDGE"), // "OPPOSITE_EDGE", "SAME_EDGE" // or "SAME_EDGE_PIPELINED"

.INIT_Q1(1'b0), // Initial value of Q1: 1'b0 or 1'b1

.INIT_Q2(1'b0), // Initial value of Q2: 1'b0 or 1'b1

.SRTYPE("SYNC") // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"

)

IDDR_inst (

.Q1(Q1), // 1-bit output for positive edge of clock

.Q2(Q2), // 1-bit output for negative edge of clock

.C(C), // 1-bit clock input .CE(CE), // 1-bit clock enable input

.D(D), // 1-bit DDR data input

.R(R), // 1-bit reset

.S(S) // 1-bit set

);

C 为同步时钟，Q1 和 Q2 则是分别从 C 上升沿和下降沿同步的输出的 SDR 数据，D 为 DDR 输入。参数DDR_CLK_EDGE 用来决定了 C、Q1、Q2 和 D 之间的时序关系。DDR_CLK_EDGE 有 3 种模式：OPPOSITE_EDGE、 SAME_EDGE 以及 SAME_EDGE_PIPELINED，3 种时序关系如下图所示。

一般来说，OPPOSITE_EDGE 模式使用较少。SAME_EDGE和SAME_EDGE_PIPELINED的区别在于，SAME_EDGE 模式时的Q1比SAME_EDGE_PIPELINED 模式时的 Q1 提前了一个时钟周期。显然，对 RGMII 接口来说使用SAME_EDGE 模式会造成两个相邻时钟周期之间的数据错位，因此，只能采用 SAME_EDGE_PIPELINED 模式。

ODDR 使用 ODDR 将 TXC 同一个时钟周期内的两个 SDR 信号分别通过上升沿和下降沿输出为 DDR 信号。

ODDR #(

.DDR_CLK_EDGE("OPPOSITE_EDGE"), // "OPPOSITE_EDGE" or "SAME_EDGE"

.INIT(1'b0), // Initial value of Q: 1'b0 or 1'b1

.SRTYPE("SYNC") // Set/Reset type: "SYNC" or "ASYNC"

)

ODDR_inst (

.Q(Q), // 1-bit DDR output

.C(C), // 1-bit clock input

.CE(CE), // 1-bit clock enable input

.D1(D1), // 1-bit data input (positive edge)

.D2(D2), // 1-bit data input (negative edge)

.R(R), // 1-bit reset

.S(S) // 1-bit set

);

ODDR 只需要 1 个时钟信号输入 C，D1 和 D2 则是分别在 C 的上升沿和下降沿同步的数据输入，Q 为 DDR 输出。参数DDR_CLK_EDGE 用来决定了 C、D1、D2 和 Q 之间的时序关系。DDR_CLK_EDGE 有两种模式：OPPOSITE_EDGE

和 SAME_EDGE，两种时序关系如下图所示。

对于 OPPOSITE_EDGE 模式，在 FPGA 内部也同样需要两个反相时钟来同步 D1 和 D2，较少使用。在设计 RGMII

接口时使用了 SAME_EDGE 模式。

IDELAYE2 IDELAYE2 用于在信号通过引脚进入芯片内部之前，进行延时调节。这里给出本方案中的用法，原语描述如下。详细参数可参考 UG471。

IDELAYE2 #(

.IDELAY_TYPE("FIXED"), // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE

.REFCLK_FREQUENCY(200.0),// IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (190.0-210.0, 290.0-310.0)

.IDELAY_VALUE(0), // Input delay tap setting (0-31).

) IDELAYE2_inst (

.CNTVALUEOUT(), // 5-bit output: Counter value output

.DATAOUT(DATAOUT), // 1-bit output: Delayed data output

.C(1'b0), // 1-bit input: Clock input

.CE(1'b0), // 1-bit input: Active high enable increment/decrement input

.CINVCTRL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic clock inversion input

.CNTVALUEIN(5'h0), // 5-bit input: Counter value input

.DATAIN(1'b0), // 1-bit input: Internal delay data input

.IDATAIN(IDATAIN), // 1-bit input: Data input from the I/O

.INC(1'b0), // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input

.LD(1'b0), // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input

.LDPIPEEN(1'b0), // 1-bit input: Enable PIPELINE register to load data input

.REGRST(REGRST) // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input

);

IDATAIN 为延时前的输入，DATAOUT 为对应延时之后的输出。REFCLK_FREQUENCY 参数用来设置输入

IDELAYCTRL 的参考时钟频率，IDELAY_VALUE 参数用来设置延时的 tap 数。其余参数保持默认值即可。

IDELAYCTRL IDELAY2 和 ODELAY2 都需要 IDELAYCTRL 来迚行校准。IDELAYCTRL 原语如下。更多详细信息可参考 UG471。

IDELAYCTRL IDELAYCTRL_inst (

.RDY(RDY), // 1-bit output: Ready output

.REFCLK(REFCLK), // 1-bit input: Reference clock input

.RST(RST) // 1-bit input: Active high reset input

);

IDELAYCTRL 需要一个参考时钟信号 REFCLK 来校准 IDELAY2 和 ODELAY2 每个 tap 的延时值，可用的 REFCLK 频率为 200M、300M、400M。时钟越高对应的 tap 延时平均值越小，也就是说延时调节精度越高。大部分情况下使用 200M 的参考时钟就可以满足实际需求。

二.MAC芯片

关于以太网的帧结构前文就已经进行了讲解，如下图所示。

首先MAC需要提供一个前导码，这个前导码是用来实现数据同步的。其次MAC要在一帧数据中添加上源MAC地址和目的MAC地址，因为以太网是一个多主机构成的星型结构，如果不添加上源地址和目的地址，那发出去的数据是没法找到对应的主机的，而且对应的主机也不知道要给谁回复。

因为以太网上层还可以跑IP协议/ARP协议等其他协议，所以需要用一段数据来标识这一帧数据的上层协议是什么。最后为了保证数据传输的正确性，需要添加上一个CRC校验值。

在以太网数据这一段，里面的数据并不完全是有效数据，它还可能包含了IP协议的首部和UDP协议的首部，以UDP协议为例，它的数据结构是这样的：

可以看到，在MAC的以太网帧的数据段，它是由IP首部+数据段组成。IP首部是实现IP协议的关键，它封装的是一些网络层的信息，比如源IP地址和目的IP地址等。IP层的数据段又可以分成UDP首部+数据段。UDP首部是实现UDP协议的关键，它封装的是一些传输层的信息，比如源端口和目的端口等。UDP协议再往上一层就是应用层了，这一层的数据才是原始数据。

三.RJ45

以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有 RJ45 接口、RJ11 接口（电话线接口）、SC 光纤接口等。其中 RJ45 接口是我们现在最常见的网络设备接口（如：电脑网口）。

RJ45 接口俗称“水晶头”，专业术语为 RJ45 连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成，属于双绞线以太网接口类型。RJ45 插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与 RJ45 插槽卡住以防止脱落。其示意图如下：