以太网控制器MAC设计

专业综合课程设计报告以太网控制器MAC设计姓名：郑文灏学号：110260125同组人：刘国阳、刘慧超指导老师：王新胜成绩：目录绪论课题研究的背景和意义....................................................................................................III第1章课程设计的要求............................................................................................................11.1课程设计的目的...............................................................................................................11.2课程设计的要求...............................................................................................................1第2章课程设计的内容............................................................................................................22.1设计思路.........................................................................................................................22.2功能模块分析..................................................................................................................32.2.1寄存器模块...............................................................................................................32.2.2接收帧模块...............................................................................................................32.2.3发送帧模块...............................................................................................................62.2.4MAC控制模块.........................................................................................................102.2.5MII模块....................................................................................................................112.3HDL代码阐述................................................................................................................122.4ModelSim验证..............................................................................................................21第3章课程设计的总结与展望...............................................................................................23绪论课题研究的背景和意义人类社会的进步要求信息产业迅速发展，计算机网络已成为全球信息产业的基石，高度发达的计算机互联网为人类社会的信息交流和资源共享提供了良好的环境，对人类生活方式的改变和社会生产力的进步产生了革命性的影响。在计算机网络的发展过程中，以太网是众多网络技术中具有影响力的一种技术，是当今主流的局域网(LAN)技术。以太网最初是由Xerox公司在70年代提出的，1982年DEC、Intel和Xerox制定了DIX标准，即10Mbps普通以太网标准。1983年，IEEE组织公布了IEEES02．3标准，10Mbps以太网得到了国际的认可，标志着以太网标准的正式成立，同时也标志着符合国际标准的以太网技术的面世。1995年IEEE通过了IEEE802．3u标准，标志着100Mbps快速以太网时代的到来。随着网络用户的日益增加，10Mbps带宽在一些环境下不能满足人们对信息传输速率要求。因此快速以太网推出得到了广泛的推广。快速以太网是在10Mbps普通以太网上基础上发展起来的，它在保持帧格式，介质访问控制的前提下，工作速率比普通以太网快10倍。IEEE802．3u快速以太网标准是IEEE802．3标准的补充，并且兼容10Mbps以太网。10Mbps和100Mbps以太网组网方便，价格低廉，性能高效在局域网中受到了广泛应用。1998年通过了IEEE802．3z标准，以太网的运行速度达到1Gbps，目前已出现了10Gbps的以太网。与传统的CAN、RS．485等相比较，以太网速度更快、通用性更好，而且能直接与因特网相连，具有更大范围的远程访问。相对于新兴的USB，IEEEl394等总线，以太网在传输距离和控制软件的通用性上有明显的优势。近几年随着深亚微米集成电路工艺技术的飞速发展，SoC(SystemonaChip)已经成为IC界关注的焦点，单一芯片上能够容纳更多的逻辑单元成为芯片设计发展的必然趋势。将所有的功能块集成在一个单独的芯片上可以大幅度降低系统成本，减少系统的面积和功耗，提高系统的可靠性。SoC已经渗透到通信、多媒体、计算机控制以及其它一些数字领域，以太网技术在嵌入式系统中的开发应用，已成为当前嵌入式领域研究的技术热点之一。嵌入式以太网在工业控制、商业领域、交通行业、家庭自动化等有着良好的应用前景，同时嵌入式设备以其价格低廉、体积小以及实时性使得嵌入式系统的网络化开发有着通用处理器无法比拟的优点。嵌入式系统的网络化，使得SoC有了更广泛的应用范围。在嵌入式系统的网络化开发过程中，首先要解决嵌入式设备与以太网络的连接问题，即网络芯片的设计。常见的具有网络功能的芯片有两类，一类是专用的以太网芯片，集成了MAC控制器和PHY，例如REALTEK8019AS、8039AS，这类芯片一般用于网卡、路由器等设备，另一类是用控制、工业领域的具有网络功能的SoC芯片，例如，PHILIPSLPC2400，这类芯片通常集成了MAC控制器，但由于Pmr的模拟电路特性及设计工艺的兼容性问题，这类芯片一般都使用外置的PHY芯片来实现对以太网的支持。在嵌入式领域，通信技术的发展要求对网络的支持越来越广泛，所以研究和设计一个用于嵌入式SoC芯片的以太网MAC控制器，具有相当的实际意义。当今，以太网已经极大地影响我们的生活，嵌入式系统上的开发应用，已经成为当前嵌入式研究领域的技术热点之一，一方面，与传统的RS-485.CAN等相比较，以太网更加高速、通用，而且还可以直接与Internet相连接，提供更大范围的远程访问；另一方面，相对于新兴的USB2.0、IEEE1394等总线，以太网技术在传输距离、不想成本以及控制软件的通用性上都有明显优势。专业综合课程设计1第1章课程设计的要求1.1课程设计的目的了解掌握以太网控制器的工作原理掌握较大工程的基本开发技能培养综合运用Modelsim，ISE工具进行硬件开发的能力培养数字系统设计的基本能力1.2课程设计的要求执行以太网IEEE802.3协议MAC要求的功能自动产生和检查32bitCRC在发送时自动填充长度小于规定的帧监测帧过长或过短兼容10Mbps和100Mbps两种速率当碰到过小的帧间隔或过长的延迟时间时自动丢弃帧在全双工模式下控制流量并且自动产生控制帧在半双工模式下进行冲突检测并且在冲突时自动重传完成对发送/接收的状态解析容纳128个缓冲描述符的内部RAM和存储帧的内部RAM发送和接收帧时的异步双口FIFO发送帧模块：处理所有有关帧发送的操作接收帧模块：处理所有有关帧接收的操作控制模块：在全双工的工作模式下，处理所有有关数据流控制的操作状态模块：要写入到缓冲描述符或其他模块要调用的不同的状态寄存器模块：所有要在MAC层操作中用到的寄存器专业综合课程设计2第2章课程设计的内容2.1设计思路本文主要阐述基于FPGA对IEEE802.3快速以太网MAC层功能的实现。采用自顶向下、分块设计的思路，逐个实现MAC主要功能模块，诸如发送模块、接收模块、MAC控制模块以及物理层和主机接口模块等，按照IP核的标准进行设计。同时考虑到对主机和PHY总线连接，MAC内部都采用8位数据线，32位地址线，而在和PHY接口连接时采用4位数据通道。MAC层主体框架如图2-1所示，主要模块有：MII模块、MAC控制模块、接收帧模块、发送帧模块、状态模块、寄存器模块、存储模块、主机总线接口模块，以及用于时钟同步、复位和寄存器输出的模块。主机总线接口模块寄存器模块接收帧模块寄存器地址与数据读寄存器数据控制与状态信号状态模块发送帧模块接收状态控制信号发送状态控制信号MAC控制模块控制信号发送帧数据和控制信号控制与状态信号接收帧数据与控制信号Ram与FIFO模块MII模块访问数据与BD主机发送帧数据TxData[7..0]主机接收帧数据RxData[7..0]控制信号与寄存器配置发送帧到PHYMTxD[3..0]从PHY接收帧MTxD[3..0]控制与状态信号图2-1MAC控制器结构框图这里，有必要说一下IEEE802.3帧格式，如图2-2所示。SFDPreambleDASALenth/TypeDATACRC7bytes1byte6bytes6bytes2bytes46-1500bytes4bytes图2-2IEEE802.3帧格式1)Pre(Preamble)：前导码，7字节0x55信号，接收站点通过该字段知道接收到数据帧信息，并使网络两端的物理层达到稳定同步状态。专业综合课程设计32)SFD(Start．of-FrameDelimiter)：定界符，表示一个有效帧的开始，1字节的0xD5。当接收站收到定界符时表示一帧数据的开始。3)DA(DestinationAddress)：目的地址，69节。DA字段用于识别需要接收帧的站点。目的地址可以分为单播地址，多播地址和广播地址。单播地址是一个站点的特定的地址，当发送地址为单播地址只有这个地址的站点才能接收。多播地址是一个组地址，当发送目的地址为多播地址时，这一组站点才能接收。广播地址，当发送目的地址为广播地址时，这个广播域的地址都可以接收。广播地址为特殊的组播地址，地址全为1。4)SA(SourceAddress)：源地址，69节。SA字段用于识别发送帧的站点。5)Length／Type：长度／类型，29节。如果是采用可选格式组成帧结构时，该字段既表示包含在帧数据字段中的MAC数据大小，也表示帧类型。6)Data(Pad)：数据和填充