10G以太网
概述
- 该文章得验证平台位xilinx KCU105开发板，实现了双通道10g eth收发，以及内外循环。
10g以太网系统框图
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时钟
- PCS/PMA接收外部差分参考时钟(156.25MHz),经过内部锁相环输出coreclk（156.25MHz）,从而驱动整个系统工作
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数据
- 发送:用户在156.25MHz时钟下，通过64bit位宽axi stream总线将数据发送给MAC核，MAC将axi stream数据转换成xgmii协议数据发送给PCS/PMA，PCM/PMA内部经过64b/66b等操作最终通过GTX接口发出。
- 接收:接收过程是发送过程得逆过程
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控制（监测）
- MicroBlaze通过axi_lite接口控制User和MAC模块，MAC与PCS/PMA模块间通过MDIO总线走控制信号，后续内容有详细介绍。
一、 PCS/PMA内部时钟
- 1、pcs/pma接收差分refclk(156.25MHz)
- 2、红框内得逻辑在多个pcs/pma时可以共享给其他模块
二、 XGMII帧格式
- 若payload_size = 64，源地址48’h1111_0000_0000，目标地址48’h2222_0000_0000,发送完3frame后payload_size = 125
- 根据XGMII需求：帧间最小间隔（12+Byte） + 前导码（7Byte）+ 帧开始符（1Byte）+ ethernet_header(16Byte) + Payload2（62Byte）+ FCS（4Byte）
- ethernet_header(16Byte) = MAC目标地址（6Byte）+ MAC源地址（6Byte）+ 长度/类型（2Byte）+ Payload1(2Byte)
assign ethernet_header [47:0] = XIL_MAC_ID_OTHER; assign ethernet_header [95:48] = XIL_MAC_ID_THIS; assign ethernet_header [111:96] = {data_payload[7:0], data_payload[15:8]}; assign ethernet_header [127:112] = seq_no_g; - 实际XGMII格式为
frame0_1 : 0707_0707_0707_0707 frame0_2 : df55_5555_5555_55fb frame0_3 : 0000_2222_0000_0000 frame0_5 : 0000_4000_1111_0000 frame0_6 : 0000_0000_0000_0000 frame0_7 : 0000_0000_0000_0000 frame0_8 : 0000_0000_0000_0000 frame0_9 : 0000_0000_0000_0000 frame0_10: 0000_0000_0000_0000 frame0_11: 0904_0000_0000_0000 frame1_1 : 0707_0707_07fd_fd4a frame1_2 : 0707_0707_0707_0707 frame1_3 : df55_5555_5555_55fb frame1_4 : 0000_2222_0000_0000 frame1_5 : 0001_4000_1111_0000 frame1_6 : 0001_0001_0001_0001 frame1_7 : 0001_0001_0001_0001 frame1_8 : 0001_0001_0001_0001 frame1_9 : 0001_0001_0001_0001 frame1_10: 0001_0001_0001_0001 frame1_11: 0001_0001_0001_0001 frame1_12: 0001_0001_0001_0001 frame1_13: d864_0001_0001_0001 frame2_1 : 0707_0707_07fd_3991 frame2_2 : 0707_0707_0707_0707 frame2_3 : df55_5555_5555_55fb frame1_4 : 0000_2222_0000_0000 frame1_5 : 0002_4000_1111_0000 frame1_6 : 0002_0002_0002_0002 frame1_7 : 0002_0002_0002_0002 frame1_8 : 0002_0002_0002_0002 frame1_9 : 0002_0002_0002_0002 frame1_10: 0002_0002_0002_0002 frame1_11: 0002_0002_0002_0002 frame1_12: 0002_0002_0002_0002 frame1_13: ad85_0002_0002_0002 frame3_1 : 0707_0707_07fd_af8c frame3_2 : 0707_0707_0707_0707 frame3_3 : df55_5555_5555_55fb frame3_4 : 0000_2222_0000_0000 frame3_5 : 0003_4000_1111_0000 frame3_6 : 0003_0003_0003_0003 frame3_7 : 0003_0003_0003_0003 frame3_8 : 0003_0003_0003_0003 frame3_9 : 0003_0003_0003_0003 frame3_10: 0003_0003_0003_0003 frame3_11: 0003_0003_0003_0003 frame3_12: 0003_0003_0003_0003 frame3_13: 7ce5_0003_0003_0003 frame4_1 : 0707_0707_07fd_6b57 frame4_2 : 0707_0707_0707_0707 frame4_3 : df55_5555_5555_55fb frame4_4 : 0000_2222_0000_0000 frame4_5 : 0004_7d00_1111_0000 frame4_6 : 0004_0004_0004_0004 frame4_7 : 0004_0004_0004_0004 frame4_8 : 0004_0004_0004_0004 frame4_9 : 0004_0004_0004_0004 frame4_10: 0004_0004_0004_0004 frame4_11: 0004_0004_0004_0004 frame4_12: 0004_0004_0004_0004 frame4_13: 0004_0004_0004_0004 frame4_14: 0004_0004_0004_0004 frame4_15: 0004_0004_0004_0004 frame4_16: 0004_0004_0004_0004 frame4_17: 0004_0004_0004_0004 frame4_18: 0004_0004_0004_0004 frame4_19: 0004_0004_0004_0004 frame4_20: 0004_0004_0004_0004 frame4_21: 0004_0004_0004_0004 frame4_22: fda1_6eb5_a404_0004 frame5_1 : 0707_0707_0707_0707 frame5_2 : 5555_55fb_0707_0707 frame5_3 : 0000_0000_df55_5555 frame5_4 : 1111_0000_0000_2222 frame5_5 : 0005_0005_0005_7d00 frame5_6 : 0005_0005_0005_0005 frame5_7 : 0005_0005_0005_0005 frame5_8 : 0005_0005_0005_0005 frame5_9 : 0005_0005_0005_0005 frame5_10: 0005_0005_0005_0005 frame5_11: 0005_0005_0005_0005 frame5_12: 0005_0005_0005_0005 frame5_13: 0005_0005_0005_0005 frame5_14: 0005_0005_0005_0005 frame5_15: 0005_0005_0005_0005 frame5_16: 0005_0005_0005_0005 frame5_17: 0005_0005_0005_0005 frame5_18: 0005_0005_0005_0005 frame5_19: 0005_0005_0005_0005 frame5_20: 0005_0005_0005_0005 frame5_21: 0005_0005_0005_0005 frame5_22: ec05_6eb5_a405_0005 - 可以得出以下结论，1每帧间用"fd 07 07 07 …"填充最少12Byte，根据payload长度（自适应动态调整）07个数，最终把整帧凑成8的整数倍数
- 如payload =63,XGMII_frame = fd + 07*14 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 104 ,104/8 = 13;
- 如payload =64,XGMII_frame = fd + 07*13 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 104 ,104/8 = 13;
- 如payload =65,XGMII_frame = fd + 07*12 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 104 ,104/8 = 13;
- 如payload =66,XGMII_frame = fd + 07*11 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 104 ,104/8 = 13;
- 如payload =67,XGMII_frame = fd + 07*14 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 108 ,连发两次216可被8整除;
- 如payload =68,XGMII_frame = fd + 07*13 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 108 ,连发两次216可被8整除;
- 如payload =69,XGMII_frame = fd + 07*12 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 108 ,连发两次216可被8整除;
- 如payload =70,XGMII_frame = fd + 07*11 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 108 ,连发两次216可被8整除;
- 如payload =71,XGMII_frame = fd + 07*14 + df55_5555_5555_55fb + 长度/类型 + payload + FCS = 112,112/8 = 14;
- 如此反复循环
- 前导码（7Byte）+ 帧开始符（1Byte）为“”df55_5555_5555_55fb“
- FCS加在frame结尾(CRC)
- 数据流
- 进MAC层前，格式为目标地址+源地址+类型/长度+playload，通过axi_stream进入MAC层(不可被8整除时用Keep补齐)
- MAC做了以下工作
- 剔除axi_stream中的无效数据
- 根据XGMII协议补充间隔符、前导码、FCS
- 最终生成复合MGMII协议格式的数据
- 发送效率
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文档中的发送效率如下图所示
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上图中默认间隔符号的个数为12Byte，但是在实际发送过程中由于XGMII每个帧的长度为8的整数倍，所以间隔符号在12Byte-15Byte间调整，例如Payload为64byte时，间隔符的实际个数为14byte，那么无效数据的个数并非38byte而是41byte。
-
三、PHY（PCS/PMA）
- 该层位于OSI模型的第一层即PHY层，PHY层与MAC（MAC时OSI模型第二层）层相连
- PHY（第一层）进一步划分为物理介质层（PMD），物理中间层（PMA）和物理编码子层（PCS）,例如：光纤收发机属于PMD
-
10GBASE_R core内部结构框图如下图所示
- XGMII interface
- 传输路径，包括 64b/66b encoder， 加扰器， Gearbox
- 接收路行，包括包括块同步、解扰器、译码器和BER（Bit Error Rate）监视器
- 接收数据路径中的弹性缓冲区
- Test pattern generation and checking
- 光学串行接口
- Management registers (PCS/PMA) with optional MDIO interface
- 与 MAC 相连时 mdio_tri 不需要连接
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10GBASE_KR core内部结构框图如下图所示
- 相比于10GBASE_R，KR在传输和接收通道上增加了FEC（前向纠错）， AN（自主协商）
四、MDIO
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MDIO interface 为 MAC core 提供 PCS/PMA core 的控制通道，MAC core 框图如下:
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PCS/PMA core MDIO 接口如下表所示
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Signal Name Direction Description mdc I Management clock mdio_in I MDIO Input mdio_out O MDIO Output mdio_tri O MDIO 3-state control.1 disconnects the output driver from the MDIO bus. prtad[4:0] I MDIO port address. When multiple MDIO-managed ports appear on the same bus, this input can be used to set the address of each port. -
mdc 由 MAC core产生
- 其中 fHOST_CLK = 156.25MHz
- fMDC 频率不可超过2.5MHz
- 例如：Clock Divide[5:0] = 39,通过上式计算fMDC约为1.95MHz
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mdio 时序图如下所示
-
* 上图中的PRTAD、 DEVAD由 MAC core reg “MDIO configuration Word1”根据实际情况下发的。
* parad[4:0],由 PCS/PMA core 引用出可由逻辑层配置
* DEVAD(device address),当操作PMA时该值为5‘b0_0001,当操作PCS时该值为5‘b0_0011。此地址对应PCS/PMA MDIO Registers Address X.YYYYY中的X，例如 “MDIO Register 1.0: PMA/PMD Control 1” 的Registers Address的地址为1.0,则DEVAD的值为5‘b0_0001。
* 上图中的OP也是由MAC core reg “MDIO configuration Word1”根据实际情况下发的。
* 配置地址时OP=2‘b00；
* 写时OP=2‘b01；
* 读时OP=2‘b11；
* 上图中的ST表示START，值为2‘b00
- 例1，MAC core 通过MDIO 向 PCS/PMA写数据
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1).通过使能 MAC core 的 “MDIO Configuration Word 0”寄存器 “MDIO Enable”和“CLK Divide”
-
2).按照下表顺序操作MAC core相关寄存器
- 向 MDIO TX Date寄存器写入欲操作的PCS/PMA core寄存器的地址
- 注意这里的地址为PCS/PMA core reg addr 中的 X.YYYYY,中的Y
- 配置“MDIO Configuration Word 1”中的 DEVAD，PRTAD，OP（00）
- 等待（读取）“MDIO Configuration Word 1”的bit7变为0
- 将 欲写入 PCS/PMA core寄存器 的数据写入 MAC core的寄存器MDIO TX Date。
- 配置“MDIO Configuration Word 1”中的 DEVAD，PRTAD，OP（01）
- 等待（读取）“MDIO Configuration Word 1”的bit7变为0
- 向 MDIO TX Date寄存器写入欲操作的PCS/PMA core寄存器的地址
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- 例2，MAC core 通过MDIO 从 PCS/PMA读数据
- 1).通过使能 MAC core 的 “MDIO Configuration Word 0”寄存器 “MDIO Enable”和“CLK Divide”（若已经使能忽略该步骤）
- 2).按照下表顺序操作MAC core相关寄存器
五、各种长度专题
- payload_size
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由仿真文件中的tg_config或Gen reg_14决定
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在实际应用中由Microblaze通过axi_lite配置eth_axi_stream_gen_mon的reg_14实现
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pkg_length
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该信号位于axi_stream_gen模块内
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pkg_length = payload_size + 14
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packet_count
- 由Microblaze通过axi_lite配置eth_axi_stream_gen_mon的reg_1C实现
- 仿真时没有用到，实际跑时可以关注下
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frame_length
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该信号由10G Ethernet Mac（xilinx IP）产生,用于统计MAC发送frame len框图如下
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frame_length = vector[19:5] = 目标地址 + 源地址 + 类型/长度 + payload_size + FCS(4Byte)，时序和位定义如下：
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frame_count
- 在仿真tb文件中用于统计mac 传输的frame数量
- 如上图所示每个valid信号会出发一次vector传输，也就是每次frame传输开始时都会产生一个valid信号所以可以通过统计valid信号个数表示frame传输次数
- 仿真波形如下
