千兆以太网硬件设计及链路层 MAC 协议格式

以太网系列文章：
（1）千兆以太网硬件设计及链路层 MAC 协议格式
（2）千兆以太网网络层 ARP 协议的原理与 FPGA 实现
（3）CRC校验代码原理

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前言

从本章开始，将分享千兆以太网设计的相关知识。将为大家分享千兆以太网硬件设计及链路层 MAC 协议格式、网络层 ARP 协议的原理与FPGA 实现、网络层 IP 协议介绍与 IP 校验和算法实现、网传输层 UDP 协议原理与FPGA 实现、千兆以太网 UDP 回环测试等实验。
提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、以太网 MAC 层接口介绍

从数据传输角度来看，控制器（FPGA）和 PHY 侧芯片实现以太网传输的数据链路两端，有 3 种主要的接口形式。这 3 种接口形式主要是 MII，GMII 和 RGMII。MII 主要应用在百兆网传输中，而 GMII 和 RGMII 则均可以运用于千兆网，RGMII 相较于 GMII，则可以有更高的数据位通信效率。

1.MII 接口

MII 接口信号连接关系及各信号的介绍如下。

（注：表格中的方向是站在 MAC 侧角度看的）


其中，MAC 侧向 PHY 侧传输数据的时序图如下，参数 t1~t5 是 PHY 芯片能正常接收到数据需要满足的时序参数，VIL 和 VIH 是高低电平的电压标准，电压低于 VIL 表示低电平，电压高于 VIH表示高电平，详细参数参见具体的 PHY 芯片手册。从波形图可以看出，发送数据信号 TXD 和发送使能信号需要在时钟上升沿保持稳定。

PHY 侧向 MAC 侧传输数据（也就是 MAC 侧接收 PHY 侧传过来的数据）的时序图如下，参数 t1~t5是 PHY 芯片输出数据和与时钟之间的时序参数，VIL和 VIH是高低电平的电压标准，电压低于 VIL 表示低电平，电压高于 VIH 表示高电平，详细参数参见具体的 PHY 芯片手册。
从波形图可以看出，PHY 芯片传出（也就是 MAC 接收）数据信号 RXD 和数据有效信号在时钟上升沿保持稳定。在 MAC 接收数据时，需要根据传过来数据信号的时序特点进行正确的接收。

2.GMII 接口

GMII 接口信号连接关系及各信号的介绍如下。

（注：表格中的方向是站在 MAC 侧角度看的）

与 MII 接口类似，MAC 侧与 PHY 侧之间传输数据的时序图如下，图中的参数是 PHY 芯片能正常接收到数据和 PHY 发出数据需要满足的时序参数，VIL 和 VIH 是高低电平的电压标准，电压低于 VIL 表示低电平，电压高于 VIH 表示高电平，详细参数参见具体的 PHY 芯片手册。从波形图可以看出，发送数据信号 TXD 和发送使能信号需要在时钟 GTX_CLK 的上升沿保持稳定；同样的 PHY 芯片传出（也就是 MAC 接收）数据信号 RXD 和数据有效信号在时钟RX_CLK 上升沿保持稳定。在 MAC 发送/接收数据时，需要满足这些时序要求才能让 PHY 正确收到数据和正确接收到 PHY 传过来数据。

3.RGMII 接口

RGMII 即 ReducedGMII，是 GMII 的简化版本，将接口信号线数量从 24 根减少到 14 根，时钟频率仍旧为 125MHz，TX/RX 数据宽度从 8 位变为 4 位。RGMII 接口信号连接关系及各信号的介绍如下。

（注：表格中的方向是站在 MAC 侧角度看的）


RGMII 接口为了保持 1000Mbps 的传输速率不变，RGMII 接口在时钟的上升沿和下降沿都采样数据。在参考时钟的上升沿发送 GMII 接口中的 TXD[3:0]/RXD[3:0]，在参考时钟的下降沿发送 GMII 接口中的 TXD[7:4]/RXD[7:4]。RGMII 同时也兼容 100Mbps 和 10Mbps 两种速率，此时参考时钟速率分别为 25MHz 和 2.5MHz。TX_CTL 信号线上传送 TX_EN 和 TX_ER 两种信息，在 TX_CLK 的上升沿，下降沿发送 TX_ER；同样的，RX_CTL 信号线上也传送 RX_DV和 RX_ER 两种信息，在 RX_CLK 的上升沿传输 RX_DV，下降沿传输 RX_ER。具体时序如下。关于 RTL8211 PHY 芯片具体时序参数与配置的 TXDLY 和 RXDLY 管脚的电平有关，详细可参见RTL8211 芯片手册。
【注：】要实现RGMII 接口的传输，只需要使用Vivado中ODDR或IDDR源语将数据变为时钟上升沿和下降沿传输即可，以至于都不需要任何编码。此部分可参考RGMII 与 GMII 转换电路设计

二、以太网（MAC）帧协议介绍

以太网是目前最流行的一种局域网组网技术（其他常见局域网组网技术还有令牌环局域网、无线局域网、ATM 局域网），以太网技术的正式标准是 IEEE 802.3 标准，它规定了在以太网中传输的数据帧结构，如下图所示。

在物理层上看，一个完整的以太网帧有 7 个字段，事实上，前两个字段并不能算是真正意义上的以太网数据帧，它们是以太网在物理层上发送以太网数据时添加上去的。为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用 7 个字节前同步码（0 和 1 交替的 56 位（55-55-55-55-55-55-55））实现物理层帧输入/输出同步；使用 1 个字节的 SFD（帧首定界符，固定为 10101011）标识帧的开始。上图中剩下的 5 个字段是真正的以太网数据，其中包含了目的地址和源地址，它们都是 6 字节长度（通常每个网卡都有 1 个 6 个字节 MAC 地址，以在以太网中唯一地标识自己）。网卡接收数据时，通过将目的地址字段和自身的 MAC 地址做比较，判断是否接收该数据包。通常，将这里的 6 字节目的地址按照下面的格式来书写，如：00-01-02-03-04-05。这 6 个字节在以太网中是按照从左到右（先发该字段的高字节后发字段的低字节）的顺序发送的，同时对每个字节来说，最先发送的是最低位 bit0，最后是最高位 bit7。
各字段的简单介绍如下表。

在发送以太网帧头时，首先发送的前导码为 7 个字节长度的 0x55，用于帧的同步，它用于告诉潜在的接收方即将发送数据。那么为什么选择这7个字节长度的前导码为0x55呢？由于 0x55 的二进制表现形式为 0101 0101，相当于总线上出现了 7 个字节的 0101 0101。这样，相较总线的高低电平恒定而言，总线电平的波浪式频繁变化会成为一种判断特征，表征即将发送数据。
完成前导码的发送后，接下来发送帧开始符。帧开始符为 1 个字节的 0xD5。0xD5 的二进制表现形式为 1101 0101，其数据特征为出现了两个连续的高电平 1。
在以太网帧中，目的 MAC 地址可以分为三类：单播地址、多播地址和广播地址。单播
地址通常与一个具体网卡的 MAC 地址相对应，它要求第一个字节的 bit0（即最先发出去的位）必须是 0；多播地址则要求第一个字节的 bit0 为 1，这样，在网络中多播地址不会与任何网卡的 MAC 相同，多播数据可以被很多个网卡同时接收；广播地址的所有 48 位全为 1（即 FF-FF-FF-FF-FF-FF），同一局域网中的所有网卡可以接收广播数据包。