从零开始 verilog 以太网交换机（一）架构分析

从零开始 verilog 以太网交换机（一）架构分析

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本专题部分内容参考于乔庐峰教授的《Verilog HDL数字系统设计与验证——以太网交换机案例分析》，侵权必删

  当下很多IC设计的求职者可能苦于找不到合适的项目，或者是希望有一个区别于培训班的独特项目，所以博主从今天开始会根据一些资料，完成一个以太网交换机的手把手教学，并将所有工程代码开源。

  关注本专题的朋友们可以收获一个经典交换机设计的全流程，包括设计与验证（FPGA）；以太网MAC层（Media Access Control，媒体介入控制层）的基础知识。新手朋友们还将获得一个具有竞争力的项目经历。

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一、ethernet switch作用

  在开始工程前，先讨论以下为什么要有以太网交换机。
  简单来说，当越来越多的设备接入网络后，子网下的点对点的通信需要某一设备来集中处理数据的转发。以太网交换机就是为了完成这一任务，当然随着时代发展，其内部对网络包的处理变得更为多样，但本工程仅仅完成最基本的交换机功能。

有关更多同一子网下数据的传输过程可以关注IB协议专题。

二、ethernet switch架构

  首先我们需要明确，ethernet switch作用在ISO模型的传输层，物理层通常由外置的PHY完成，在更高级的交换机中，上层的网络层、链路层也可以进一步融入设计中。

  ethernet switch的整体架构如下图，主要由mac_r/mac_t（MAC收发控制器）、frame_mux（帧合并单元）、frame_process（帧处理单元）、MAC Lut（MAC地址查找表）、queue manager（队列管理器） 组成，最后实现的交换机可以支持4 Port的数据输入输出。

基本功能如下：

• mac_r 负责接受PHY上传的MAC帧，并检测是否出现CRC Error、帧长度错误、非字节对齐错误；
• frame mux将4 Port的数据帧进行合路；
• frame process需要根据数据帧进行Mac Address查找，地址逆向学习并维护MAC Address和输出Port的映射表；
• MAC Lut 是基于hash算法的MAC Address和输出Port的映射表；
• queue manager负责；
• mac_t 功能和mac_r对称，负责将处理完的数据帧按PHY所要求的格式发送，包括添加帧起始符，CRC校验码等；

  具体功能细节将在每个子模块设计中进行详细介绍与分析。
  本专题的后续章节将对MAC控制器、帧合并，处理单元、Mac地址LUT以及队列管理四部分进行设计与实现。

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