浅析Xilinx 三速以太网MAC IP核

　　之前在使用Altera的三速以太网MAC IP的基础上，完成了UDP协议数据传输。此次为了将设计移植到xilinx FPGA上，需要用到xilinx的三速以太网MAC IP核，当然也可以自己用HDL编写，但必须对数据链路层协议有非常清晰的认识。以下是在使用xilinx 三速以太网MAC过程中的一些记录和总结。

　　在使用IP核传输数据之前要对MAC层功能有个了解。MAC层功能用一个词概括就是“成帧解帧”，具体来讲TX方向对用户侧发送来的MAC帧添加前导码和帧尾校验和，对长度过短帧会在帧尾填充0直至最小帧长，此外流控模块可以根据需要发送pause帧。RX方向过滤掉不符合规范的数据帧并移除填充域，只有目的MAC地址与自身相符且帧尾校验和正确的数据帧才为有效数据帧，去除前导码和校验域后即发送给用户侧。接收端也会根据可能收到的pause帧做出暂停发送处理。

　　认识以太网帧结构同样非常重要，目前常见的是Ethernet II和IEEE802.3两种格式，总体可以归纳为：目的MAC地址　　源MAC地址　　长度/类型　　有效负荷（可能有填充）　　帧校验，长度依次是6byte、6byte、2byte、46~1500byte、4byte。区别在于Ethernet II帧长度/类型域解释为上层协议类型，而IEEE802.3同样位置是长度字段。区分两者的标准是：当该字段值小于等于1500（十六进制的0x05DC）时，为IEEE802.3格式；当字段值大于等于1536（或者十六进制的0x0600）时，帧使用的是Ethernet II格式。其中Ethernet II最为常见。

　　IP核的配置很简单，根据自己的需求设置即可。重点关注第二页，这里选择使用GMII作为物理层接口，并选择三速模式，可以通过接口改动传输速率。

　　IP核配置生成输出文件后，和其他较为复杂的IP核一样要熟读文档和分析example design的结构和功能。资料主要参考PG051.我们直接打开example design顶层文件对工程有个整体的认识：

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//    | EXAMPLE DESIGN WRAPPER                         |
//    |                                                |
//    |                                                |
//    |   -------------------     -------------------  |
//    |   |                 |     |                 |  |
//    |   |    Clocking     |     |     Resets      |  |
//    |   |                 |     |                 |  |
//    |   -------------------     -------------------  |
//    |           -------------------------------------|
//    |           |FIFO BLOCK WRAPPER                  |
//    |           |                                    |
//    |           |                                    |
//    |           |              ----------------------|
//    |           |              | SUPPORT LEVEL       |
//    | --------  |              |                     |
//    | |      |  |              |                     |
//    | | AXI  |->|------------->|                     |
//    | | LITE |  |              |                     |
//    | |  SM  |  |              |                     |
//    | |      |<-|<-------------|                     |
//    | |      |  |              |                     |
//    | --------  |              |                     |
//    |           |              |                     |
//    | --------  |  ----------  |                     |
//    | |      |  |  |        |  |                     |
//    | |      |->|->|        |->|                     |
//    | | PAT  |  |  |        |  |                     |
//    | | GEN  |  |  |        |  |                     |
//    | |(ADDR |  |  |  AXI-S |  |                     |
//    | | SWAP)|  |  |  FIFO  |  |                     |
//    | |      |  |  |        |  |                     |
//    | |      |  |  |        |  |                     |
//    | |      |  |  |        |  |                     |
//    | |      |<-|<-|        |<-|                     |
//    | |      |  |  |        |  |                     |
//    | --------  |  ----------  |                     |
//    |           |              |                     |
//    |           |              ----------------------|
//    |           -------------------------------------|
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　　上边是官方提供的注释，非常清晰地给出了工程结构：

example_clocks:　　　　　时钟模块，提供工程中用到的所有时钟信号；

example_resets:　　　　　复位模块，产生所有子模块的复位信号；

axi_lite_controller:　　　　控制模块，内部通过状态机对MAC和PHY芯片进行初始化和相应配置工作。

basic_pat_gen_inst:         包测试模块，有两种模式：发送固定样式测试数据包和将收到数据包环回送出给PHY。

trimac_fifo_block:　　       AXI-S接口异步FIFO和MAC IP核。

　　MAC IP核包含的主要接口类型及作用是：

GMII接口--PHY数据通道　　　　 MDIO接口--PHY芯片配置管理　　　　 AXI-Stream接口--用户数据通道　　　　 AXI-Lite接口--用户控制管理

　　初步需要掌握的是用户数据接口，实际上AXI-Stream也无需过多关注，只要理解FIFO用户侧接口即可。以发送方向为例：

　　tx_axis_fifo_tdata 8位数据，tx_axis_fifo_tvalid 数据有效指示，tx_axis_fifo_tready MAC发送准备信号，tx_axis_fifo_tlast 数据包尾指示。接下来使用示例工程的testbench查看仿真波形，对用户接口时序有一个直观的认识。官方testbench demo_tb文件中会持续分别以10M 100M 1000M速率向example design RX方向GMII端口发送5个不同数据帧。先来看千兆网波形，在千兆模式下TX时钟为由FPGA提供的125MHz信号gtx_clk_bufg，RX时钟由PHY通过时钟恢复得到125MHz时钟信号。

　　数据的流向为：gmii_rx_xx --> rx_axis_mac_xx --> rx_axis_fifo_xx --> tx_axis_fifo_xx --> tx_axis_mac_xx --> gmii_tx_xx。此时example design中basic_pat_gen_inst模块设置为环回模式，会将MAC接收的数据环回到发送通道。由于第三个帧错误指示信号gmii_rx_er拉高，而第5个帧MAC地址不匹配，因此这两个数据帧被滤除掉。

　　上图看出第三个数据帧带有错误指示信号，FIFO模块才会将其丢弃。第五个数据包MAC地址不符，在MAC核内部被丢弃。以第四个数据包为例观察时序：

　　包尾指示和数据在MAC核收到FCS并检测完毕后才输出有效。

　　该帧目的MAC地址是48'hda_02_03_04_05_06 源MAC地址是48'h5a_02_03_04_05_06 长度/类型域是16'h00_03，因此是解释为帧长度为3字节，负荷是01 02 03。环回后目的MAC地址和源MAC地址被basic_pat_gen_inst模块交换，TX方向用户数据包为：

　　我们看下MAC核TX方向实际的用户接口时序，FIFO模块屏蔽了用户侧与MAC核之间的握手应答机制，缓存至少一个数据帧即开始数据传输，从而简化了接口时序。

　　当数据发送到物理层接口，由于数据包小于最小长度，因此发送到gmii接口上再次被填充至最小帧长。此外添加上前导码和校验和。

　　再来看看百兆网，速率为100M时TX和RX方向时钟信号均由PHY芯片提供。第四数据帧TX方向用户接口波形：

　　FIFO提供的用户侧接口时序上与千兆网没有差别，时钟频率是125MHz，位宽依然是8bit，那么又是如何实现百兆速率的呢？

　　MAC核用户接口时钟为25MHz，位宽为8bit，MAC核提供的tready信号每两周期拉高一周期，速率为25M*8/2 = 100M，因此100M速率是通过tready信号限流实现的。综上，对100M和1000M速率下全双工以太网概念和帧结构、MAC IP核配置以及核心用户接口时序功能均进行了阐述，本人也在学习中，希望对大家有帮助。