基于FPGA的万兆以太网接口的设计与实现_李伟

2009 年第11 期光通信技术 中文核心期刊 基于 FPGA的万兆以太网接口的设计与实现 李 伟，窦 衡，周 宇 （电子科技大学，成都 611731） 摘要：介绍了 IEEE802.3ae 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中万兆以太网物理层及媒质接入控制子层的相关 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。以 10GBASE-R应用物 理环境为例，阐述了万兆以太网接口各个单元模块的功能和设计实现方法。FPGA仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该万兆以太网接 口可以实现以太网之间的万兆接入，对以太网的应用空间和性能提升有着重大的意义。 关键词：万兆以太网；物理编码子层；XGMII；XSBI；FPGA 中图分类号：TN915.03 文献标识码：A 文章编号：1002-5561(2009)11-0006-03 Design and implementation for 10 Gigabit Ethernet（10GE） interface based on FPGA LI Wei,DOU Heng,ZHOU Yu (University of Electronic Science and Technology of China,Chengdou,611731,China) Abstract:This paper introduces the protocols of 10GE standard assocaited in Physical Coding Sublayer and Media Access Control sublayer. As used in 10GBASE-R，It specifys the function and implementation of each module in the 10GE interface in detail. FPGA report shows that the design for this 10GE interface can reach the performances of connecting the Ethernet at a high speed of 10Gb/s，which has a great effect on the improv- ing the Ethernet application scope and its performance. Key words: 10GE,PCS,XGMII,XSBI,FPGA 0 引言 随着多媒体应用业务的日益丰富， 宽带接入用户 数量呈现爆炸式的增长。 传统的千兆以太网技术在城 域网骨干和汇聚层所存在的带宽瓶颈及其传输距离的 限制， 已经不能满足人们的新需求。 万兆以太网（10 Gigabit Ethernet，简称 10GE）技术,在人们不断追求高 带宽和高质量的网络服务中应运而生了, 它不仅完美 地继承了低速（速率为 10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s）以太网 技术的众多优点， 而且能够提供 10Gb/s 的超大带宽。 此外， 它把传统以太网的传输距离增加到 40km 的同 时，还实现了局域网(Local Area Network,简称 LAN)与 城域网（Metropolitan Area Network，简称 MAN）、广域 网（Wide Area Network，简称 WAN）的无缝连接，大大 地拓展了以太网技术的应用空间。 本文以万兆以太网 技术标准———IEEE802.3ae 为基础， 设计并实现了适 用于 10GBASE-R 环境的万兆以太网接口， 为实现万 兆以太网的接入提供了可能性。 1 10GE的协议体系结构 10GE 技术标准———IEEE802.3ae 充分考虑了与 现有的以太网技术标准的兼容性， 保持了原有的以太 网模型、网络拓扑结构和介质接入控制（Media Access Control，简称 MAC）协议。 为了实现以太网工作速率达到 10Gb/s，并将其应 用空间从 LAN 扩展到 MAN 和 WAN 链路的目标，主 要对原有的以太网标准中的物理层 （Physical， 简称 PHY）实现方式、帧格式、MAC 的工作速率及适配策略 方面进行了改进。 在千兆以太网中，MAC 层是工作在 125MHz，而在 10GE MAC 中，更高的带宽需求，对 10GE MAC 层的 设计与实现提出了更大的挑战。 IEEE802.3ae 定义了 新的介质无关接口———XGMII（10 Gagibit Media Inde- pendent Interface）。10GE MAC层通过这个新的逻辑接 口实现了不同类型物理介质的互联。 XGMII 采用了 收稿日期：2009-07-22。 作者简介：李伟(1984-)，男，湖南人，硕士研究生，主要研究方向为片上 数字系统设计（SOC）和光通信技术。 光网络 ⑥ 2009 年第 11 期 光通信技术 李伟，窦衡，周宇:基于 FPGA 的万兆以太网接口的设计与实现 32bit 数据位宽，以 DDR 模式工作在 156.25M，从而实 现了 10Gb/s 的带宽目标。 而在物理层的实现方式上， 除了通过一个包含简化的 SONET/ SDH 成帧器的 WIS(广域网接口子层),实现了局域网和广域网的无缝 连接，还通过 8B/10B 或者 64B/66B 编解码、加解扰码 处理，有效保证数据传输的正确性，为 10GE 的应用空 间的扩展提供了有力的保障。 2 万兆以太网接口设计与实现 2.1 功能概述 本文设计的万兆以太网接口是符合 IEEE802.3ae 协议 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的 10Gb/s 的以太网接口模块， 它涉及到了 10GE 的 MAC 层和 PHY 层， 并通过媒质接入控制器 （MAC） 实现了数据链路层和物理层之间的数据交换 及路由器到万兆以太网的物理连接。 该接口可以应用 于 LAN 和 WAN 两种环境，并支持多种物理介质的连 接，如 10GBASE-R、10GBASE-X 和 10GBASE-W 等。 当万兆以太网接口以 10GBASE-R 模式应用于 LAN PHY 网络环境时，可以完成从应用侧到物理媒质的接 入控制，其总体实现框图如图 1所示。该万兆以太网接 口的设计实现分为上行和下行两个方向。 由于其上下 行方向的设计原理相同，且互为逆向过程。 限于篇幅， 仅详细阐述其下行方向的实现方法。 2.2 下行方向设计与实现 下行方向的设计实现由 XGE_MAC_TX 和 XGE_ PCS_TX 两个发送子模块组成。 接收来自应用侧的数 据帧， 在经过 XGE_MAC_TX 模块对帧进行解析及协 议处理后， 通过 XGMII 下发给 XGE_PCS_TX 模块进 行各种编码，加解扰处理，最后通过 XSBI 接口发送到 物理媒质。 2.2.1 XGE_MAC_TX 模块 该模块根据应用侧的接口时序对帧进行接收和协 议处理，包括对接收的数据进行封装组帧、寻址转发、 控制和维护各种 MAC 协议，最终实现 10GE 中的各种 介质接入的控制。XGE_MAC_TX 模块由 5个子模块组 成，其设计框图如图 2所示。下面分别对其子模块的功 能及设计实现方法进行阐述。 ⑴XGE_MAC_CFG、XGE_MAC_TX_CRC32、XGE_ MAC_RX_IPG 3 个子模块分别完成的是对 XGE_ MAC_TX 模块的配置、CRC32 计算、 帧间隙的插入的 功能。 ⑵ XGE_MAC_TX_PP模块负责 MAC 发送和应用 侧的接口实现 。 当应用侧发送数据有效时 ，MAC_ TX_PP 模块会根据内部是否处于禁止状态（包括发送 帧间隙状态、发送流控帧状态和响应流控帧状态）而更 新接收的应用侧数据。 在接收应用侧数据的时候， MAC_TX_PP 会发出启动计算 FCS 的控制信号给 MAC_TX_CRC32模块，同时把接收到的应用侧数据送 入 MAC_ TX_CRC32 模块进行 CRC32计算。当接收到 应用侧的帧尾标记之后，MAC_TX_CRC32 计算得到最 终的 CRC32 的值，送到 MAC_TX_PP 模块，MAC_TX_ PP 模块把这个 CRC32 的值添加到帧尾发送给 MAC_TX_RS模块。 在接收应用侧数据的过程中，同时 对即将发送的帧信息进行 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ， 包括帧的种类和帧的 字节数。 如果配置了添加 PAD 使能，则当接收到的应 用侧的帧小于 60 字节时，MAC_TX_PP 会把数据后面 添加 0，直到 60 字节，然后把最后得到的 FCS 添加到 帧尾，最后发送给 MAC_TX_RS子模块处理。 ⑶ XGE_MAC_TX_RS 子模块完成对前导码和帧 结束控制符的添加。 在要发送的帧前面添加 7个前导 码字节和 1个帧起始符字节， 并且把第一个前导码变 为 S控制符， 在帧结束时把紧接着的有效数据帧的一 个字节 IDLE 字符变为 T 控制符， 同时生成各个数据 发送通道（lane）的控制信号。 在 156.25MHz 的时钟频 率下， 将 64bit 宽度的数据及其 8bit 宽度控制信号以 SDR方式通过 XGMII发送给 XGE_PCS模块处理。 2.2.2 XGE_PCS_TX 模块 XGE_PCS_TX 模块通过 XGMII 接口从 XGE_MAC_ 图 2 XGE_MAC_TX模块设计框图 图 1 万兆以太网接口总体框图 光网络 ⑦ 2009 年第11 期光通信技术 李伟，窦衡，周宇:基于 FPGA 的万兆以太网接口的设计与实现 TX 模块接收数据。 由于 10GbE 要兼容 LAN 和 WAN 两种不同的网络环境，因此，对 XGMII 发送过来的数 据或者发送给 XGMII 的数据都需要进行带宽调整。 XGE_PCS_TX 模块由四个子模块组成，分别完成了带 宽调整、编码、加扰及位宽变化等处理后，通过 XSBI 发送到光纤上（设计框图如图 3 所示），进而完成了对 MAC 层下发数据的处理； 通过 SERDS 和光模块进行 最后的光电转换后， 发送到各种物理媒质上， 实现了 10GE 接口的功能，即最终实现了 MAC 层到物理媒质 的连接。 2.3 上行方向的设计与实现 上行方向， 通过光纤通道从 LAN PHY 接收到数 据后，首先通过光模块（FTM）完成数据的恢复（光电转 换）， 然后通过 XSBI 接口进行数据位宽和频率转换 后，发送给 PCS 进行解码和解扰处理，在纠错和恢复 数据后再通过 XGMII 送入 MAC 模块进行帧解析、封 装等处理，最后发送给上层应用侧。由于其设计实现原 理与上行方向设计互为逆向过程，在此不再赘述。 3 仿真验证 本文采用的是 Xilinx 公司的 Virtex5 系列 330T 型 FPGA 芯片进行设计与实现。 首先在 VCS 仿真环境下 进行功能和时序的仿真。 然后在 ISE 环境下进行综合 和布局布线。综合结果表明，本设计的工作频率完全达 到了设计的要求，可以达到 156.25MHz。 综合结果（时 序和资源相关参数）如图 4所示。 4 结束语 本文设计的万兆以太网接口可作为 10GE 接口的 IP，它不仅可集成于组成 LAN或 WAN的芯片中，还可 集成组成 SDH 网络或者 OTN 网络的芯片中， 有很好 的通用性、灵活性和重用性。 该接口 IP 通过外接一个 WIS接口可以很容易地实现局域网与广域网之间的连 接， 从而实现万兆光纤接入到各种万兆以太网网络环 境中， 很好地解决传统以太网接入技术的带宽瓶颈和 距离限制， 为以太网的应用开阔了一片新的天地。 总 之，该接口对万兆以太网的接入有着重大的意义。 参考文献： [l] 格伦.克雷默（Glen Kramer）.基于以太网的无源光网络[M].陈雪，孙曙 和，刘冬，等译[M].北京:北京邮电大学出版社，2007. [2] Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). IEEE 802.3av draft.http://bbs.c114.net/viewthread.php?tid=273801. [3] 陈雪.无源光网络技术[M].北京：北京邮电大学出版社.2005：113-123. [4] Mayer Base U.数字信号处理的 FPGA 实现.刘凌 译.第 2 版.北京：清 华大学出版社，2006. 图 4 综合时序和资源参数 图 3 XGE_PCS_TX 组成框图 光网络 开发的良朋 应用的益友 《电脑开发与应用》月刊 欢迎订阅 诚征广告 本刊集信息、知识、趣味、可读性于一体,以计算机实用技术见长,博采、精选国内外电脑研究、开发与应用 的精华。 用相当的篇幅刊登企业信息化、信息化建设、信息传输处理与管理方面的信息及文章，关注 IT 产业。 尤其是刊登 Internet、Agent、嵌入式系统、片上系统、构件技术、网格技术、软硬件二次开发、中间件技术、电脑测 控、 CORBA、 开放式与微内核技术、 柔性与敏捷制造等方面的内容，跟踪报道世界最新技术。 本刊为大 16开（A4）、80页、8元/期。 每月 5日出版。 全国各地邮局均可订阅，邮发代号：22-96 国外代号：M4257 联系地址：太原市 193信箱 电脑开发与应用编辑部 邮编：030006 电话：（0351）8725025 传真：（0351）8725207 E-mail：DNKF@chinajournal.net.cn !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! " ⑧