FPGA控制DM9000A进行以太网数据收发的Verilog实现

本文为实现高速数据的实时远程传输处理,提出了采用FPGA直接控制DM9000A进行以太网数据收发的设计思路，实现了一种低成本、低功耗和高速率的网络传输功能，最高传输速率可达100Mbps。

DM9000A简介

主要特点
    DM9000A实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能，包括MAC数据帧的组装／拆分与收发、地址识别、CRC编码／校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。
 
工作原理
    DM9000A可以和微处理器以8位或16位的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。在系统上电时，处理器通过总线配置DM9000A内的网络控制寄存器(NCR)、中断寄存器(ISR)等，以完成DM9000A的初始化。随后，DM9000A进人数据收发等待状态。
    当处理器要向以太网发送数据帧时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过8位或16位总线逐字节发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000A的相应寄存器内，随后发送使能命令，DM9000A将缓存的数据和数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。
    当DM9000A接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃，否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知处理器，处理器收到中断后将DM9000A接收RAM的数据读出进行处理。
    DM9000A自动检测网络连接情况，根据网速设定内部的数据收发速率是10Mbps或100Mbps。同时，DM9000A还能根据RJ45接口是采用对等还是交叉连接方式而改变数据收发引脚的方向，因此，无论外部网线采用对等还是交叉方式，系统均能正常通信。

基于FPGA和DM9000A的网络接口设计与实现
 
    下面给出DM9000A与FPGA的硬件设计和软件配置方法。FPGA启动以太网发送程序，将解调数据发送到DM9000A，完成数据发送过程。在接收方向，网络工作站把控制指令按照一定的帧格式组帧发送到以太网，DM9000A接收到发给自己的以太网帧并通知FPGA启动以太网接收程序，FPGA将相应的数据从DM9000A的接收FIFO读出。

与FPGA的数据接口和控制接口
    DM9000A的外部总线符合ISA标准。可通过ISA总线直接与FPGA无缝连接。其硬件连接原理如图1所示。

DM9000A的FPGA控制

初始化模块
    DM9000A正常工作需要在上电后对内部寄存器进行初始化，该过程通过FPGA对DM9000A外部控制总线和数据总线的读写操作完成。具体流程如下所示：

    >激活PHY
     设置GPR(REG_1F)CEPIO0bit[0]=0；
     复位后，DM9000A恢复默认的休眠状态，以降低功耗，因此需要首先唤醒PHY。

    >进行两次软复位，步骤如下：
     设置NCR(REG_00)bit[2：0]=011，至少保持20μs；
     清除NCR(REG_00)bit[2：0]=000；
     设置NCR(REG_00)bit[2：0]=011，至少保持20μs；
     清除NCR(REG_00)bit[2：0]=000；

    >配置NCR寄存器；
     设置NCR(REG_00)bit[2：1]=00；配置为正常模式。
     通过改变该寄存器可以选择设置内部或者外部PHY、全双工或者半双工模式、使能唤醒事件等网络操作。

    >清除发送状态；
     设置NSR(REG_01)bit[5]=1bit[3]=1 bit[2]=1；

    >设置IMR寄存器(REG_FF)PAR bit[7]=1，以肩用RX／TX FIFOSRAM读／写地址指针自动返回功能；

    >通过IMR寄存器(REG_FF)PRM bit[0]／PTM bit[1]，对RX／TX中断使能。如果需要在一个数据帧发送完后产生一个中断，就应该将PTM      bit[1]置1，如果需要在接收到一帧新数据时产生一个中断，就应该将PRM bit[1]置1；

    >设置RCR寄存器，使能数据接收功能。

    通过以上步骤，可以通过LED指示灯观测到DM9000A是否已成功初始化。

发送模块
    DM9000A中的发送缓冲区可以同时存储两帧数据，可以按照先后顺序命名为帧I和帧II。DM9000A上电初始化后，发送缓存区的起始地址是00H，当前数据帧编号为帧I。两帧数据的状态控制字分别记录在DM9000A的状态寄存器03H和04H中。发送过程如下：
    首先，FPGA利用写操作寄存器MWCMD(REG_F8)向DM9000A的发送缓存区中写入发送数据帧，即需要先写入6字节的目的MAC地址，再写入6字节的源MAC地址，最后再写入发送数据。随后，FPGA利用写操作寄存器MWCMD(REG_F8)将数据帧长度写入寄存器FCH和FDH，数据长度为16位，将高8位写入寄存器FCH，低8位写入寄存器FDH。最后，FPGA将发送控制寄存器TCR(REG_02)的bit[1]置为高电平，向DM9000A发出发送数据指令。DM9000A会自动做一些处理才将数据发往以太网，这包括：插入报头和帧起始分隔符；插入来自上层协议的数据，如果数据量小于64字节，则自动补齐64字节；根据目标地址、源地址、长度／类型和数据产牛CRC校验序列，并插入校验序列位。这些处理都无需FPGA干预。处理完毕后，DM9000A即开始发送帧I，在帧I发送的同时，帧II的数据即可写入发送缓存区。在帧I发送完后，将帧II的数据长度写入寄存器FCH和FDH，最后将发送控制寄存器NSR(REG_01)的bit[1]置为高电平，即可开始帧II的发送。依此类推，下面发送的帧将会继续编号为帧I、帧II、帧I、帧II……按照同样的方式发送。
    如果FPGA将中断屏蔽寄存器 IMR(REG_FF)的bit[1]置为高电平，那么发送完毕后，DM9000A将会产生一个指示发送完成的中断信号。在发送过程中，FPGA可以查询寄存器标志位寄存器NSR(REG_01)中的TX1END bit[2]或者TX2END bit[3]，得到数据帧的发送状态。
    发送流程，寄存器ISR中的PTS标志位是发送中断标志位，当一帧数据发送完毕，PTS=0，FPCA检测到该标志后，应清除标志位以便发送新的数据帧。这里需要注意的是，向FC、FD所写的帧长度应该包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效数据的总长度。

接收模块
    DM9000A中的接收缓存区是一个环形结构，初始化后的起始地址为0C00H，每帧数据都有4字节长的首部，然后是有效数据和CRC校验序列。首部4字节依次是01H、状态、长度低字节和长度高字节。 首部4字节含义如下：
    第一个字节用来检测接收缓存区中是否有数据，如果这个字节是01H，表明接收到了数据；如果为00H，则说明没有数据。但是，如果第一个字节既不是01H，也不是00H，DM9000A就必须作一次软复位来从这种异常状态中恢复。
    第二个字节存储着以太网帧状态，由此可判断所接收帧是否正确。
    第三和第四字节存储着以太网帧长度。后续的字节就是有效数据。

接收过程如下：

    查看中断状态寄存器，如果接收到新数据，寄存器ISR的PRS位将被置为0；如果检测到PRS=0，清除PRS，FPGA开始读接收缓存区数据。如果第一字节是01H，则说明有数据，00H说明无数据，否则要进行复位； 根据获取的长度信息，判断是否读完一帧，如果读完，接着读下一帧，直到遇到首字节是00H的帧，说明接收数据已读完。FPGA可以重新查看中断状态寄存器，等待新的有效数据帧。

结语
本文对以太网控制器DM9000A进行了原理和功能介绍，并结合自行开发的SDR基带信号处理平台，基于FPGA设计实现了100M以太刚接口，其设计思路新颖，硬件连接简单。整体系统具有功耗低，体积小，运行稳定可靠等优点。