第4節(jié) 基于Xilinx FPGA的千兆以太網(wǎng)控制器的開發(fā)

圖10-31 以太網(wǎng)MAC發(fā)送模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)送狀態(tài)機由Idle_State、Preamble_State、Data0_State、Data1_State、PAD_State、FCS_State、IPG_State、Jam_State、BackOff_State、Defer_State 等十個狀態(tài)組成。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖10-32所示。

圖10-32 發(fā)送狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

系統(tǒng)復(fù)位后，發(fā)送模塊即進(jìn)入Defer_State狀態(tài)，并一直檢測載波偵聽（CarrierSense）信號。當(dāng)載波偵聽信號變成無效（表示信道空閑）時，狀態(tài)機進(jìn)入IPG_State狀態(tài)。此后，在等待一個幀間間隙之后，狀態(tài)機進(jìn)入Idle_State狀態(tài)。如果在幀間間隙的前2/3個周期檢測到信道忙信號，狀態(tài)機將重新回到Defer_State狀態(tài)。

狀態(tài)機進(jìn)入Idle_State狀態(tài)之后，發(fā)送模塊將檢測載波偵聽信號和主機接口的發(fā)送請求。若主機模塊請求發(fā)送，狀態(tài)機將進(jìn)入Preamble_State狀態(tài)，發(fā)送模塊即通知PHY發(fā)送開始，同時開始發(fā)送前序碼（7個0x5）, 然后發(fā)送幀起始定界符（SFD, 0xd）。狀態(tài)機進(jìn)入Data0_State后，發(fā)送模塊將發(fā)送一個數(shù)據(jù)字節(jié)的低4位（LSB nibble），當(dāng)其進(jìn)入Data1_State狀態(tài)后，發(fā)送模塊則發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的高4位（MSB nibble）。隨后，狀態(tài)機一直在data0和data1之間循環(huán)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。當(dāng)還剩一個字節(jié)時，主機模塊將通過發(fā)送幀結(jié)束信號來通知發(fā)送模塊。如果數(shù)據(jù)幀的長度大于最小幀并且小于最大幀，狀態(tài)機就進(jìn)入FCS_State狀態(tài)，此時發(fā)送模塊則將CRC生成模塊生成的CRC值添加到幀的FCS字段中并發(fā)送給PHY。

幀發(fā)送完之后，狀態(tài)機進(jìn)入Defer_State 狀態(tài)，之后是IPG_State和Idle_State狀態(tài)。此后狀態(tài)機又回到初始狀態(tài)，以重新等待新的發(fā)送請求。如果數(shù)據(jù)幀的長度小于最短幀，狀態(tài)機就進(jìn)入PAD_State狀態(tài)，發(fā)送模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置確定是否在數(shù)據(jù)之后添加填充碼。然后，狀態(tài)機進(jìn)入FCS_State狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)幀的長度大于最大幀，而系統(tǒng)設(shè)置又支持發(fā)送超長幀，那么，狀態(tài)機就進(jìn)入FCS_State狀態(tài)；如果不支持發(fā)送超長幀，發(fā)送模塊將放棄發(fā)送，狀態(tài)機直接進(jìn)入Defer狀態(tài)，然后是IPG狀態(tài)，最后回到Idle狀態(tài)。

在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)送模塊會一直檢查沖突檢測信號（collision detected）。如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機正處于Preamble_State，狀態(tài)機將在發(fā)送完前序碼和SFD之后進(jìn)入Jam_State，并發(fā)送擁塞碼，然后進(jìn)入BackOff狀態(tài)，以等待重試。之后，狀態(tài)機經(jīng)過Defer和IPG回到Idle狀態(tài)。如果此時重試次數(shù)計數(shù)器的值沒有達(dá)到額定值，發(fā)送模塊將重新開始發(fā)送剛才的幀，并將重試次數(shù)計數(shù)器的值加1；如果發(fā)現(xiàn)沖突且狀態(tài)機處于data0、data1或FCS狀態(tài)，而且沒有超過沖突時間窗，那么狀態(tài)機將馬上進(jìn)入Jam狀態(tài)發(fā)送擁塞碼，之后經(jīng)過BackOff、Defer、IPG、回到Idle，并根據(jù)重試計數(shù)器的值決定是否重新發(fā)送剛才的數(shù)據(jù)幀；如果檢測到發(fā)生沖突的時間超過了沖突時間窗，狀態(tài)機將進(jìn)入Defer狀態(tài)，然后經(jīng)過IPG到IDLE狀態(tài)，并放棄重試。

在全雙工模式中發(fā)送幀時，不會進(jìn)行延遲（defer）, 發(fā)送的過程中也不會產(chǎn)生沖突。此時，發(fā)送模塊將忽略PHY的載波偵聽和沖突檢測信號。當(dāng)然，幀與幀之間仍然需遵守幀間間隙的規(guī)則。因此，全雙工模式下的發(fā)送狀態(tài)機沒有Jam_State、BackOff_State、Defer_State三個狀態(tài)。

2）MAC接收模塊

MAC接收模塊結(jié)構(gòu)如圖10-33所示，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的接收。當(dāng)外部PHY將通信信道的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為半字節(jié)長的并行數(shù)據(jù)并發(fā)送給接收模塊后，接收模塊會將這些半字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過地址識別、CRC校驗、長度判斷等操作后，再通過主機接口寫入外部存儲器，并在主機接口模塊的接收隊列中記錄幀的相關(guān)信息。此外，接收模塊還負(fù)責(zé)前序碼和CRC的移除。

圖10-33 以太網(wǎng)MAC接收模塊的結(jié)構(gòu)示意圖