基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计

FPGA技术江湖

* v" j$ P2 w6 u5 p2 W# Q/ z+ }

导读
  t& G* b4 {; ^. U7 `

9 p0 p* r- M0 X/ G4 C

当前，互联网已经极大地改变了我们的生产和生活。与之相适应的，在嵌入式系统的研究开发方面，也越来越重视网络功能。嵌入式系统已经不再局限于一个个孤立的控制、处理单元，而是走向网络集成化，从而实现了多个系统的集中控制、信息共享。

以太网（Ethernet）技术在嵌入式系统上的开发应用，已经成为当前嵌入式研究领域的技术热点之一。一方面，与传统的 RS-485、CAN 等相比较，以太网更加高速、通用，而且还可以直接与 Internet 相连接，提供更大范围的远程访问；此外，经过适当剪裁和优化的 TCP/IP 协议栈，也完全可以适应工业用途的需求。另一方面，相对于新兴的 USB 2.0、IEEE 1394 等总线，以太网技术在传输距离、布线成本以及控制软件的通用性上都有明显的优势。

( g* F% _  j6 V  K! }: W

基于以太网的嵌入式系统，在以下方面都有良好的应用前景：
/ M) _# G& ^2 x4 T! i7 Y

• 工业：工业控制、网络仪表、远程的分布式数据采集……

• 家庭自动化：智能家庭、信息家电、家庭网关……

• 商业：远程销售平台、智能自动售货机、公共电话卡发行系统……

• 环保：水源和空气污染监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全……

• 其他：交通管理、车辆导航、自动抄表……

2 G& G+ K6 `1 i9 ~! r; A4 ~& I

因此在使用 FPGA 设计各种嵌入式应用系统时，需要考虑为系统提供以太网接口。本章将 通过 FPGA 实现一个以太网控制器（MAC）的实例，详细介绍实现过程。

& D8 x! k: C8 M9 i3 F

第一篇内容摘要：本篇会介绍以太网基本原理，包括以太网协议的参考模型、MAC 子层、媒体无关接口（Media Independent InteRFace）等相关内容，还会介绍以太网控制器（MAC）的基本框架等相关内容。

一、以太网基本原理

2 k. v7 L  I5 A: k2 Z

一般所说的以太网协议是指根据 IEEE 802.3 规范制定的局域网协议（LAN，Local AreaNetwork）中的 CSMA/CD 协议。目前，以太网通信常用的介质是双绞线和光纤。

8 e" ]* r& H% x5 t  J

注意：CSMA/CD 协议是 Carrier sense multiple Access with Collision Detection 的缩写，是带有检测冲突的载波侦听多路存取协议，具体内容请参考 IEEE 802.3 规范。

1.1 以太网协议的参考模型

( `) n  F4 w9 F* R( U" o

以太网协议的逻辑关系遵循 OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model，开放式系统互联参考模型），如图 10-1 所示。

7 B* b$ a1 Q: }5 D" k

物理层是指网络通信连接的媒介物质，用于携带计算机之间的以太网信号。当前应用最多的是双绞线和光纤。使用这两种媒介，以太网目前可以实现 4 种传输速率。

5 R5 m) L) t; V" s6 O6 u+ u

• 10 Mbit/s：10Base-T 以太网。

• 100 Mbit/s：快速以太网。

• 1000 Mbit/s：千兆位以太网 802.3z。

3 Y5 p1 s' o. ?) V8 j& M( z

• 10 千兆位以太网：IEEE 802.3ae。

! F; D( t7 a7 }- o1 a9 Y3 c- f, Y

图 1 以太网协议逻辑关系的参考模型

MAC 子层有两个基本职能：数据封装，包括传输之前的帧集合和接收中、接收后的帧解析/差错监控；媒体访问控制，包括帧传输初始化和传输失败恢复。

1 T6 K1 E* y4 ^* P$ A

$ I1 \# O5 U0 l7 l

上层协议根据实际应用可以选择多种不同的协议，如 IP 协议、TCP 协议、HTTP 协议等。常用的 TCP/IP 协议如图 10-2 所示。

5 r& P5 \% Q2 K( ?2 }. J
2 `+ |% A4 f7 ~/ N5 n6 o
' a1 p0 A8 ~7 {0 }* u4 ], p3 ]" h; W

图 2 上层协议

在进行实际的以太网通信中，每一种协议都是运行在其下面层次的协议基础上。例如，当两个计算机系统使用 FTP 协议传输文件时，从用户看来是两个系统基于 FTP 协议的直接交流，实际上文件的数据传输则是经过了层层打包和解包的协议路径，如图3 所示。

2 D# {7 p, ~+ G/ u" U: G& X

5 `+ O0 k5 g  Y" z

8 t  O' U1 R! v* `; }, m

" ^/ {) C! F, s$ ~( r& Y

图 3 FTP 协议的通信过程

上层的各个协议栈要分别实现对数据的打包、解包、校验以及对下一层相关协议的调用。例如，在 IP 协议栈从以太网驱动收到一个数据包后，经过解包、校验，确认是否为有效的 IP包，如无效则舍弃该包；如有效则进一步判断包内的数据，转而调用 TCP、UDP、ICMP 等协议或使用户自定义的处理服务。而以太网控制芯片的功能是完成 TCP/IP 协议簇分层模型中链路层的相关工作，它处理与双绞线 RJ-45 接口之间的所有物理细节。

0 S3 D5 `6 h- a

本篇将要介绍的以太网控制器将实现有关 MAC（媒体访问）子层的控制功能。在此基础上，开发人员可以简便、快速地开发出基于以太网的嵌入式系统应用。因为以太网的上层协议可以根据需求的不同进行选择，物理层可以根据网络速率不同选择特定的媒介物质。下面将详细介绍有关 MAC 层的内容。

' k$ ~7 m( `- V7 [

1.2 MAC子层

/ A8 Z9 K5 t3 g$ B

MAC 子层在上层协议和以太网网络之间传输和接收数据，其主要功能是确保以太网上每一帧数据的传输都遵循了 IEEE 802.3 规范所规定的介质存取规则。

a．基本帧数据格式

IEEE 802.3 规范为实现 MAC 定义了一套基本的帧数据格式，如图 4 所示。

) W: A% N( h; o2 k% U0 E' B4 f

, p- |: v# P1 c" ~: U* f  c

图 10-4 帧数据格式

各个字段的含义及规定如下。

4 y3 \. S& ?1 X8 b& M# e$ D

• Preamble（PRE）：报头，字段中 1 和 0 交替使用，接收方通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步接收物理层帧接收和导入数据流的方法。

• Start-of-frame delimiter（SFD）：帧起始分隔符，字段中 1 和 0 交替使用，结尾是两个连续的 1，表示下一位是目的地址的第一个字节的第一位。

• Destination Address（DA）：目标地址，用于识别需要接收帧的目的地。

• Source Address（SA）：源地址，用于识别发送帧的源地址。

• Length/Type：长度/类型，表示包含在帧数据字段中的 MAC 数据大小，也可以表示帧的类型。

• Data：数据，是一组 n（46≤n≤1500）字节的任意值序列。

• Frame check sequence（FCS）：帧数据校验序列，该序列包括 32 位的循环冗余校验（CRC）值，由发送方生成，通过接收方进行计算以校验帧是否被破坏。

6 U- o8 f* s: g/ A- Y. X0 e

b．帧传输

) J) e7 q6 n6 H: i

MAC 层从上层协议接收到发送帧数据的请求，首先按照下面的次序将数据和地址信息保存到 MAC 层的帧数据缓冲区中。

• 插入报头和帧起始分隔符。

• 插入目标地址和源地址。

• 统计来自上层协议数据的数量，插入数量值。

• 插入来自上层协议的数据，如果数据量小于 46 字节，则补齐 46 字节。

• 根据目标地址、源地址、长度/类型和数据产生 CRC 校验序列，并插入校验序列。

. e7 h5 I, A( P3 D' E

一帧完整数据组成后，MAC 层可以开始发送帧数据。有两种发送方式可供选择：半双工（half duplex）和全双工（full duplex）。IEEE 802.3 规范规定所有的以太网 MAC 都要支持半双工方式，即一个时刻只能进行发送或者接收，而不能同时进行发送和接收。全双工方式下发送和接收可以同时进行。

c．帧接收

. Y0 M8 j: X5 b6 Q6 L+ ^3 _! d  ~

帧接收的过程和发送的过程是相反的。首先检查帧数据中的目标地址和当前地址是否相符，然后检查接收到的帧数据中的数据长度、CRC 校验序列和实际的数据长度、CRC 校验序列是否相符。如果都相符，则将数据交给上层协议进行解析，MAC 层的传输任务完成。
! }# w8 d  L  e

) _+ m  ?* ]" K

1.3 媒体无关接口（Media Independent Interface）

9 `& p/ O. @* Z4 e8 @

IEEE 802.3 规范提出媒体无关接口（Media Independent Interface，MII）就是为了能够实现 MAC 层和不同的物理层（PHY）之间的逻辑连接，如图 5 所示。

" }" E/ a( w' @: C1 d2 M5 G9 |
. `- A" r: R# @8 o: c
! f: e$ J" u, |5 W4 g- u2 j3 I$ t/ N" s图 10-5 媒体无关接口

0 V2 G# X, `5 \. F( h3 ]) I# Q& S

MAC 层可以通过媒体无关接口连接不同的物理层。根据对以太网通信速率的要求选择合适物理层接口。针对不同的物理层，媒体无关接口可以以不同的方式实现到 MAC 的逻辑连接。例如在 10Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 1 位来串行发送/接收数据流；在 100Mbit/s以太网通信中，媒体无关接口使用 4 位来串行发送/接收数据流；在 1000Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 8 位来串行发送/接收数据流。

7 N4 v/ X" X, b% B9 v) W0 Q' ^

二、以太网控制器（MAC）的基本框架

下面将要介绍的以太网控制器（MAC）实现了以太网标准的第二层协议——MAC（媒体访问控制）协议，完全符合 IEEE 802.3 和 IEEE 802.3u 规范所规定的 10Mbit/s 和 100Mbit/s 以太网标准。如图 6 所示，使用这个以太网控制器外部连接一块 PHY 芯片（实现了物理层功能的芯片）就可以进行数据链路层的通信，即帧通信。在此基础上可以方便、快捷地开发出更高层次的协议，实现 FTP、HTTP 等协议。

0 Q3 Q3 }& G, V( `/ R# d

! x# f1 r/ C3 t- g. w0 }4 L

( `: \0 F4 l* Y  ]

图 6 以太网控制器

这个以太网控制器具体实现了以下内容。

9 _4 m( m( m: N4 F/ P4 c

• 符合 IEEE 802.3x 规定的全双工帧控制。

• 半双工传输模式下的 CSMA/CD 协议。

• 32 位 CRC 校验序列的自动产生和检查。

• 报头的产生和去除。

• 发送和接收数据包的完全状态控制。

• 满足 IEEE 802.3 规定的 MII（媒体无关接口）。

针对以太网控制器需要完成的任务，本节将设计以太网控制器的程序框架，并对各个重要部分进行讲解，如图 7 所示。

% W; c2 H, ]8 p- E/ [
9 n, f& N( r# e% m6 p: w

图 10-7 以太网控制器程序框架

1 c2 a- F4 G$ w( u# b2 E% y$ X

以太网控制器的程序框架包括如下几个主要部分。

# L5 @, ^1 G$ M3 |: S% T/ N; x0 l

• 主机接口（Host Interface）：主机接口用来连接主机部分，将接收到的数据帧保存到存储器中，同时从存储器中载入需要通过以太网接口传输的数据。主机上可以实现更高层次的以太网协议。

• 数据发送模块（Transmit Module）：完成所有与发送数据相关的操作，包括产生报头、添加 CRC 校验序列等。

• 数据接收模块（Receive Module）：完成所有与接收数据相关的操作，包括去除报头、CRC 校验。

• 控制模块（Control Module）：完成以太网控制器所有功能需要执行的操作。

• 媒体无关接口模块（Media Independent Interface）：提供一个与媒体无关的接口，用来连接外部的以太网 PHY 控制芯片。

• 状态显示模块（Status Module）：记录以太网控制芯片进行数据传输时各个状态的变化。

• 寄存器模块（Register Module）：为以太网控制芯片提供需要的所有寄存器。

$ G8 l! S/ f+ ~5 X8 e0 l6 `) m

本篇到此结束，下一篇带来基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计（中），会介绍以太网控制器（MAC）程序的实现，包括顶层程序、媒体无关接口模块（Media Independent Interface Module）、数据发送模块、数据接收模块、控制模块等相关内容。

7 ~& z5 O+ I# N8 O. U  V9 ^5 a* c+ I4 D

521li

veriog太难学了，没人带