Altera三速以太网IP核使用（下篇）之千兆网接口设计与使用

  MAC IP核的主要作用是：实现数据链路层协议，分为TX方向与RX方向，TX方向实现的是在原包文的前面加上7个55和1个D5，RX方向则相反。在使用这个 MAC IP核之前，首先确认下自己使用的网卡是支持千兆网卡还是百兆网卡，我自己的电脑是百兆网卡，百兆网卡只支持百兆速率的传输，要按照百兆网卡进行管脚配置。

管脚配置

根据数据手册P54、P55进行硬件管脚引出：

                     千兆网连接模式

千兆网的PHY芯片数据接收与发送管脚txd与rxd均是8bit，需要用pll倍频125M给PHY芯片的gtx_clk以及MAC IP核的tx_clk，PHY芯片会根据发送速率产生一个随路时钟给MAC IP核的rx_clk。

                   百兆网连接模式

  百兆网的PHY芯片数据接收与发送管脚txd与rxd均是4bit，并且只需要给一个Reference Clock 至PHY芯片，PHY芯片就会产生25M的tx_clk与rx_clk至MAC IP核，这里注意要把m_rx_col 与m_rx_crs芯片管脚也引出来作为MAC IP核的m_rx_col 与m_rx_crs输入，要注意的是千兆网PHY芯片的使用是不需要这两个管脚的。

MAC IP核生成注意事项

 

 

 如果选择的是生成32bit数据位宽的内部 FIFO，那么“Align packet headers to 32-bit boundary"就是一个可选择项，具体见数据手册：

特别要注意的是：

               

“Align packet headers to 32-bit boundary"这个选项的作用就是为了对齐数据，自动往TX方向/RX方向减少或者增加两个字节。因为按照TX方向发送包文格式：

目的地址（6字节）+源地址（6字节）+类型（2字节）+数据 

目的地址（6字节）+源地址（6字节）+类型（2字节）=14（字节），MAC 内部FIFO是32bit，也就是一次发送4byte，14字节不是4的倍数，因此，“Align packet headers to 32-bit boundary"这个选项是为了对齐数据，避免一个时钟周期内地址与数据混合发送，如果不勾选此选项，FPGA与PC端通讯的数据字节数会保持一致。

传输速率要求

1、对于千兆网，只要保证用户侧速率>1G即可；

2、对于百兆网，只要保证用户侧速率>100M即可；

我这里选用32bit的内部FIFO，用PLL分频出10M时钟给MAC IP核的ff_tx_clk 、ff_rx_clk以及clk，这样用户侧速率就是32bit X 10M > 100M,符合速率传输要求。

MAC IP核的初始化配置

关于MAC IP核的初始化配置非常重要，如果实在看不懂Command_config Register的配置，请严格按照数据手册P97-P98配置即可

 

 

         

   唯一要注意的是最后要保证TX与RX的使能端口已经开启，因此最后要读下16‘h02这个地址，以确保Command_config Register 已经等于0x00800223。

   我的初始化配置表如下所示：

parameter      REG_NUM =      19 ; 

always  @(*)begin
    case(reg_cnt)
        0   :add_wdata = {3'b110,8'h02,32'h00802220};//common      
        1   :add_wdata = {3'b110,8'h09,32'd2032    };//tx_section_emty      
        2   :add_wdata = {3'b110,8'h0e,32'd4       };//tx_almost_full      
        3   :add_wdata = {3'b110,8'h0d,32'd08      };//tx_almost_empty      
        4   :add_wdata = {3'b110,8'h07,32'd2032    };//rx_section_empty      
        5   :add_wdata = {3'b110,8'h0c,32'd08      };//rx_almost_full      
        6   :add_wdata = {3'b110,8'h0b,32'd08      };//rx_almost_emty      
        7   :add_wdata = {3'b110,8'h0a,32'd16      };//tx_section_full      
        8   :add_wdata = {3'b110,8'h08,32'd16      };//rx_section_full     
        9   :add_wdata = {3'b110,8'h03,32'h01020304};//MAC0        
        10  :add_wdata = {3'b110,8'h04,32'h00000605};//MAC1   
        11  :add_wdata = {3'b110,8'h05,32'd1518    };//MAX FRAME LENGTH      
        12  :add_wdata = {3'b110,8'h17,32'd12      };//TX IPG LEGNTH      
        13  :add_wdata = {3'b110,8'h06,32'h0000ffff};//pause_quant 

        14  :add_wdata = {3'b110,8'h02,32'h00800220};//.. 

        15  :add_wdata = {3'b110,8'h02,32'h00802220};//common,rst,set SW_RESET bit to 1 
        16  :add_wdata = {3'b001,8'h00,32'h00010_0000};//wait  
        17  :add_wdata = {3'b010,8'h02,32'h00800220 };//wait 
       18  :add_wdata = {3'b110,8'h02,32'h00800223};//common,enable tx and rx   //  
      
        default:add_wdata = 0;
    endcase
end

PHY芯片的复位时间

 

 由数据手册可以看到，PHY芯片的上电复位时间至少要维持10ms，以50M输入时钟为例，我的设计如下：

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        cnt_phy_reset <= 0;
    end
    else if(add_cnt_phy_reset)begin
        if(end_cnt_phy_reset)
            cnt_phy_reset <= 0;
        else
            cnt_phy_reset <=cnt_phy_reset + 1;
    end
end

assign add_cnt_phy_reset = flag==0 ;       
assign end_cnt_phy_reset = add_cnt_phy_reset && cnt_phy_reset== 10_00_000 ;       //拉低10ms

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)begin
        flag <= 0;
    end
    else if(end_cnt_phy_reset)begin
        flag <= 1;
    end
end

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin               //phy_reset 
    if(rst_n==1'b0)begin
         phy_reset <= 1;
    end
    else if(flag==0&&add_cnt_phy_reset && cnt_phy_reset == 500_000)begin
         phy_reset <= 0;
    end
    else if(end_cnt_phy_reset)begin
         phy_reset <= 1;
    end
end

测试验证

TX 方向： 初始化完成后，自动产生MAC 层包文，经过MAC IP 进行数据链路层处理后，将包文发 给PHY 芯片RTL8211，PHY 芯片经过PHY 层处理后再传给PC，PC 使用wireshark 软件采集包文观察。

RX 方向： PC 发广播包文给PHY 芯片，PHY 芯片经过PHY 层处理后送给FPGA，FPGA 接到后经过数据链路层处理后，用SIGNALTAP 观测最后的信号。

用到的辅助测试软件：

1、小兵发包：往FPGA 发数据

2、wireshark：捕获发送与接收包文

TX方向，FPGA往PC发128字节长度的广播包

PC端收到完好的128个字节的广播包

 

（2）RX方向

小兵发64字节的广播包

 

 FPGA收到完好的64个字节的广播包

  至此，有关该MAC IP核百兆网的设计与使用完毕,有关MAC IP核千兆网的使用与它类似，只需要注意PHY芯片的gtx_clk时钟由PLL倍频得到125M作为输入以及接收/发送数据端口均为8bit即可。

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