基于FPGA的以太網(wǎng)MII接口擴展設計與實現(xiàn)

引言

傳統(tǒng)以PC為中心的互聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)已開始轉向以嵌入式設備為中心。據(jù)網(wǎng)絡專家預測，將來在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⒅?，?0%來自小型嵌入式系統(tǒng)，因此，對嵌入式系統(tǒng)接入因特網(wǎng)的研究是有必要的。目前有兩種方法可以實現(xiàn)單片機系統(tǒng)接入因特網(wǎng)：一種方法是利用NIC (網(wǎng)絡控制/網(wǎng)卡)實現(xiàn)網(wǎng)絡接口，由單片機來提供所需的網(wǎng)絡協(xié)議；另外一種方法是利用具有網(wǎng)絡協(xié)議棧結構的芯片和PHY(物理層的接收器)來實現(xiàn)網(wǎng)絡接口，主控制器只負責往協(xié)議棧結構芯片的某個寄存器里放上適當?shù)臄?shù)據(jù)。與此同時，用FPGA實現(xiàn)單片機系統(tǒng)接入因特網(wǎng)的方法也日益受到人們的重視。本文提出采用FPGA實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧，介紹100M以太網(wǎng)MII接口協(xié)議的硬件實現(xiàn)方法，其中的奇偶模塊分頻器和異步FIFO等通用器件在日常中也很有應用價值。

以太網(wǎng)MII接口協(xié)議

IEEE802協(xié)議標準系列中,數(shù)據(jù)鏈路層包括LLC (邏輯鏈路控制)子層和MAC (媒體訪問控制)子層。其中MAC單獨作為一個子層,完成數(shù)據(jù)幀的封裝、解封、發(fā)送和接收功能。物理層PHY的結構隨著傳輸速率的不同而有一定差異，在100M和1000M以太網(wǎng)中，依次為PCS子層、PMA子層和PMD子層。MII接口是連接數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的接口，因為本設計中以太網(wǎng)速率采用100Mb/s，所以MII接口實際連接的是MAC子層和PCS子層。根據(jù)協(xié)議，要求MII接口具有的功能有：數(shù)據(jù)和幀分隔符的讀寫時鐘同步，提供獨立的讀寫數(shù)據(jù)通道，為MAC層和PCS層提供相應的管理信號，以及支持全雙工模式。

擴展MII接口功能及其

FPGA實現(xiàn)

由于100M以太網(wǎng)的物理層采用4b/5b編碼，為了擴展MII接口的功能，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)直接物理層5位數(shù)據(jù)和MAC層8位數(shù)據(jù)的發(fā)送接收傳輸轉換。即把從MAC子層用于發(fā)送的數(shù)據(jù)和從PHY用于接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖FIFO，同時要求MII接口將從PHY傳來的信號COL、CRS轉為信號Carrier和Collision，并提供給MAC子層用于載波監(jiān)聽和沖突檢測，以及發(fā)送和接收時的時鐘、使能、錯誤位信號的傳送。擴展功能后的MII接口硬件結構框圖如圖1所示，由4b/5b編解碼器、控制信號與4位/8位轉換、分頻器及雙口FIFO 4個模塊組成，而且能夠同時支持半雙工和全雙工模式。

在設計過程中，為了考慮測試和支持多種速率傳輸?shù)男枰?，要求設計帶有分頻參數(shù)的可實現(xiàn)奇偶分頻的分頻器和支持能夠同時進行讀寫操作和異步讀寫時鐘的FIFO。這是MII接口設計中的難點,本身也具有很高的實用價值。