FPGA平台以太网学习：涉及1G/2.5G Ethernet 和Tri Mode Ethernet MAC两个IP核的学习记录（二）——IP学习使用

  学习不能稀里糊涂，要学会多思考，发散式学习以及总结：
  FPGA作为一种器件，只是实现目的的一种方法，过度追求实现的技术细节(用hdl还是hls，用啥芯片，用啥接口)容易只见树木不见森林。工具软件的用法也好，器件的架构也好，语言孰优孰劣的争论也罢。工程应用里大概更多应该去考虑适合的实现方式，现在software define network/flash/xxx，已然大势所趋，算法是纲，纲举目张。是因为在实现上需要有流水线，多路并行，快速部署的目的所以考虑使用FPGA，而不是为了使用而使用。
  不管实现目的的方法是FPGA还是DSP甚至是GPU，这些都是工具，工程师的核心竞争力除了在于熟练地掌握开发的技巧。更重要的在于信号与系统、数字信号处理、图像处理之类的让你了解算法、优化算法的基石；以及数字电路、微机原理、处理器体系结构这些让你了解为什么这些工具要这样设计，要这样发展的课程（系统学习一点体系结构，那么这些数据级并行、指令级并行、线程级并行的处理器就不再陌生了）工程师应该顶天（了解应用，了解算法）也应该立地（了解工具，掌握技巧）。
                    ——引用某个大佬的话，作为学习共勉
  简单来说就是：FPGA是工具用来搬砖，更多的知识在FPGA之外

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选择Ethernet下的“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”IP核

IP核配置

一、传输速率

  1：IP核的名字；
  4：点击是否展开所有引脚（没必要点击）；
  2、3：IP核提供了两种数据速率1GMbps和2.5Gmbps，选择1G;

二、网口标准选择

  该IP提供了用于生成1000BASE-X，2500BASE-X，1G SGMII和2.5G SGMII四种标准应用。关于选择BASEX还是SGMII我们需要根据我们实际应用的接口选择；在这里我们参考该IP核文档pg047中的介绍：
查找文档以及使用方法可以参考这篇文章：
vivado的DocNav学习；FPGA芯片外挂DDR个数_FPGA_青年的博客-CSDN博客
  1)、(figure1-1)设备专用GT收发器支持PMA连接到外部现成的千兆接口转换器 (GBIC) 或小型可插拔 (SFP) 光收发器，以完成以太网端口，BASEX只能连接这两种器件（本次设计使用GBIC ）。这里可以理解为MAC层+PCS层+PMA层以串型的方式与PHY层的PMD相连，TX/RX分别为从PMA到PMD的串行传输的差分输出，从PMD到PMA的串行传输的差分输入。

  2)、(figure1-2)设备专用GT收发器也支持1g或2.5G SGMII连接到外部现成以太网PHY设备（RJ-45电口）。它也能为1G提供三模式PHY芯片的10BASE-T, 100BASE-T, and 1000BASE-T。
  SGMII本质上并没有对以太网协议的分层做改动，还是MAC层，PCS层和PMA层。原来GMII模式下，MAC层一般做在FPGA侧，PHY层包括PCS+PMA做在另一个单独的芯片上。而SGMII的实施是将PCS层也同时放在了原来的MAC侧。这样FPGA芯片和PHY芯片各有一个PCS层。
  对于FPGA发送来说，数据包有MAC层过来，经过TX的PCS，从SGMII接口发送出去。在PHY芯片上，有一个RX的PCS先将SGMII的信号解出GMII信号，然后再经过传统的PHY层处理发送到介质上。对于FPGA接收来说，则反过来。
关于PHY层的知识，大家可以参考此文章。
以太网学习之MAC与PHY间通信_FPGA_青年的博客-CSDN博客

  3)、(figure1-3)它也可以作为三速以太网（Tri Mode Ethernet MAC）IP核SGMII转换成GMII的桥梁。

  1：1000BASEX：将生成IEE802.3 1000BASEX的标准，是千兆以太网光口的物理接口命名，属于物理层接口，可以称为物理相关接口，1000BASEX只支持1000速率，后缀BASE不持支自协商；采用光口（SFP）作为网络接口时使用（ 本次设计我们选择1000BASEX ）；
  2：SGMII：将生成GMII到Serial-GMII(SGMII)桥；可以称为媒体独立接口，SGMII支持10/100/1000速率，可以根据实际进行自协商速率转换，采用电口（RJ45）或是需要转换成GMII等信号时使用;
  3：BOTH：在1000BASE-X和SGMIL标准之间进行动态切换，哪个稳定先与哪个建立连接；
  4：附加收发器控制和状态端口；（暂时没有用到附加端口，不选择）
补充：
  在编写代码的时候，是在用户端即上图中的User Logic处编写代码，中间为IP核内部逻辑不用管，右侧为外接接口，需要上板测试的时候需要分配此引脚（RX、TX等）。
  1000表示千兆速率，base表示基带传输，X表示采用了8B/10B分组码编码方式，详细介绍可以看上一篇文章的第三部分内容：
FPGA平台以太网学习：涉及1G/2.5G Ethernet 和Tri Mode Ethernet MAC两个IP核的学习记录（一）——知识补给_FPGA_青年的博客-CSDN博客。

  在下图中，左图是选择1000BASEX产生的外接接口SFP，中间图为选择SGMII产生的外接接口sgmii，最右边的是三速以太网IP（Tri Mode Ethernet MAC）的RGMII接口（还可以更换成GMII/MII/Internal），后边将会讲解三速以太网，到时候可以对比学习；
  我们可以看到1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 以太网IP核采用的是RXN，RXP，TXN，TXP差分串行数据接口，此IP核采用的是FPGA芯片的GT(Gigabit Transceiver )高速收发器作为千兆网通信对外的接口。（关于GT高速收发器的知识后续有时间整理）大家可以在此大佬的文章进行学习：
Xilinx FPGA平台GTX简易使用教程（汇总篇）_fpga gtx_子墨祭的博客-CSDN博客
  采用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 以太网IP核时：
  1、 FPGA相当于MAC层+PCS层+PMA层（属于PHY层中的一部分，选择1000BASEX）；
  2、 FPGA相当于MAC层+PCS层（属于PHY层的一部分，选择SGMII）。
   在这里我补充一下：我们的数据在数据链路层（MAC）进行数据组帧以后，都需要经过编码PCS层和串并转换PMA层，SGMII接口属于串型接口，因此它只需要经过PCS层。
  关于PHY芯片内部协议以及GT收发器的PCS和PMA可以参考这个文章：
FPGA平台以太网学习：MAC与PHY间通信_FPGA_青年的博客-CSDN博客
  采用Tri Mode Ethernet MAC以太网IP核时：
  1、 FPGA只是MAC层。

  可以看下采用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 以太网IP核实际用到的原理图接口，下图中共有4对高速接口port0-port3：

可以看下采用zynq系列时ps端进行千兆网通信的原理引脚图，Tri Mode Ethernet MAC IP核使用到的引脚同样如此。采用RGMII接口。

三、核功能选择

  1： 物理接口：设备专用收发器；物理接口将是设备特定的收发器即GT高速收发器，即上边原理图的RT与TX（此处只有一个选项默认）；
  2：接收GMII时钟源：输入IP核内部的MMCM的时钟源选择为GT收发器输出的时钟TXOUTCLK（默认选项即可），该MMCM将产生我们所需要的接口时钟；
  3：管理选项：MDIO管理接口和自协商，这里提一下，采用SGMII外接PHY芯片时候，MDIO是为了配置PHY芯片用的，一般PHY默认配置就可以正常使用（暂时都用不到，不选）；可以参考下官方的回答
以太网IP核1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII的问题咨询 (xilinx.com)

四、共享逻辑

  1：核内共享逻辑：设计只采用一个该IP核的时候，就选择此项
  2：示例设计中包含共享逻辑：当设计中需要同时使用若干个此IP核，且所使用的GTX均位于同一个GTX BANK中，只需其中1个IP核内部的共享资源（MMCM、GTX PLL、GTX 参考时钟等）便可以满足所有IP核的需求，即选择将共享资源包含在IP核内部。通过共享逻辑可以较小硬件资源的消耗，并且各个接口输出时序是一致的。（暂时没有用到，不选）

  在此IP核的配置就结束了，后边将讨论以太网应用中的设计方案
  再次强调下，FPGA是工具，要学会使用工具就要看配套资料，IP配置以及接口使用在文档中讲解的都很清楚，不过都是英文的，以下链接简单介绍如何查找文档
vivado的DocNav学习；FPGA芯片外挂DDR个数_FPGA_青年的博客-CSDN博客

五、总结（重点）

  关于网口选择部分，我写的挺多的，主要这里边涵盖的知识非常多。主要是想说的时，在做千兆网的时候，FPGA通常采用两种外界接口。
  1、一种就是普通接口MII/RMII/GMII/RGMII这些接口，RGMII是最常用的接口，这些接口都属于低速接口。例如上边介绍的ZYNQ的PS端以太网和三速以太网Tri Mode Ethernet MAC IP核这两种都是使用RGMII，与外部PHY芯片进行连接，然后再通过网口。即：FPGA=MAC<–>PHY<–>RG45。
  2、还有一种就是采用高速收发器即GT接口作为外接接口，外部接的是TXP/TXN和RXP/RXN这种串型接口，上边普通的采用的是并行接口。GT用于千兆以太网物理编码子层/物理介质连接子层 (Physical Coding Sublayer/Physical Media Dependent PCS/PMA)。
  例如本次使用的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核。这个IP是将PHY芯片的的PMA层和PCS层集合到了FPGA中。即FPGA=MAC+ PCS / PMA。
  （1）当采用1000BASEX时候，IP核作为PCS层（编码）+PMA层（并转串），通过收发器向PMD发送，此时FPGA与外部千兆接口转换器 (GBIC) 或小型可插拔 (SFP) 光收发器进行连接。如下图所示：

  （2）当采用SGMII时候，IP核作为PCS层，通过收发器向PHY芯片的PCS层发送，此时FPGA与现成以太网PHY设备（RJ-45电口）进行连接。如下图所示：

下一节，将会做接口与框架介绍。

记录美好学习，从总结开始；