【沧小海笔记】之基于FPGA的以太网设计相关知识——第三章 xilinx 三速以太网IP核（TEMAC）的介绍_三速以太网 xilinx

---

总目录在这里哦~

https://blog.csdn.net/z123canghai/article/details/114649502 

---

         Xilinx为我们提供了一个叫做“Tri-Mode Ethernet MAC”的IP核，简称TEMAC核，三种模式的以太网介质访问控制层器，支持全双工半双工的千兆、百兆、十兆和2.5G的传输速率，支持MII、GMII、RGMII、SGMII和TBI接口。在PG051当中为我们进行了详细的介绍。但光看这文档效率太低，我们还是在应用种去理解吧。该模块可以是对协议的具体解析了，需要我们了解TCP/IP协议栈。

3.1 IP核的配置

         对于该核的配置相对来说还是比较简单的，如下：

1、data Rate

设置最大的通讯速率，1Gb/s支持高达1Gb/s的以太网速度。支持四种类型的物理接口，即GMII，MII，RGMII和内部接口均可用。2.5 Gb / s 指的是以太网速度设置为2.5Gb/s。物理接口设置为“内部”，所有其他类型均被禁用。所有默认即可

2、Interface

物理接口：

主要配置与MAC接口的类型，该核四种物理接口类型，均有IEEE802.3规范定义

（1）GMII可以支持以太网以10 Mb/s，100 Mb / s和1Gb/s的速度运行;

（2）MII可以支持以10 Mb/s和100 Mb / s的速度运行以太网;

（3）RGMII是GMII的双倍数据速率模式，也就是双沿采样，支持以太网以10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s的速度运行。

（4）Internal是生成内核时，没有物理接口可用于连接到内部PHY，例如以太网1G / 2.5G PCS / PMA或SGMII LogiCORE。物理接口的选择决定了随核心提供的示例设计的内容，其中HDL中描述了外部GMII，MII或RGMII。RGMII，GMII或内部之间的核心HDL不变。如果选择了MII，则物理接口数据路径将减少为4位。默认为使用GMII。当我们选择2.5G时就是这种模式。

MAC Speed

TEMAC解决方案可支持2.5Gb/s和1Gb/s速度运行，10Mb/s和100Mb/s速度运行以及全三速运行（10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s速度能力）。可用于速度支持选择的选择取决于所选的物理接口：

1. 当MAC数据速率设置为2.5 Gb / s时，仅内部模式可用。
2. 如果MAC数据速率设置为1 Gb / s，并且选择了GMII，RGMII或Internal，则可以选择三速操作和1 Gb / s操作。
3. 若MAC数据速率设置为1Gb/s并且选择了MII，则仅10Mb/s和100Mb/s的操作可用。

Management Type（管理类型）

选择“ AXI4-Lite”选项以包括用于TEMAC配置的可选管理接口。如果未选择此选项，则会使用替换配置向量生成核心。如果未选择AXI4-Lite管理界面，则AVB选项不可用。默认设置是选择AXI4-Lite管理接口。

启用管理接口后，选择“管理数据输入/输出接口（MDIO）”选项以包括可选的MDIO接口。如果未选择此选项，则生成的内核不具有管理物理层中的对象所需的MDIO逻辑。

如果启用了MDIO，请选择“为MDIO接口端口添加IO缓冲区”选项以为MDIO接口端口插入I / O缓冲区。这将创建双向I / O总线mdio，并为mdc插入输出缓冲区。如果未选择此选项，则将使用mdio_i，mdio_o和mdio_t端口生成内核。

AXI4-Lite Frequency （AXI4-Lite频率）

这指定了AXI4-Lite接口的频率（以MHz为单位）。它用于提供综合的默认值，并且会根据系统中的连接性进行覆盖。

3、Shared Logic

         没啥可说的

4、Features

MAC选项

TEMAC解决方案始终提供对全双工以太网的支持。但是，为了提供半双工操作，需要更多的FPGA逻辑资源。由于许多应用程序只需要全双工支持，因此半双工逻辑是可选的。

使用半双工逻辑生成内核时，可以使用TEMAC配置选择全双工或半双工操作。默认设置是不包括半双工支持。

AVB(Audio Video Bridging)选件

如果希望包含可选的AVB端点前端逻辑，请选择Enable_AVB选项。

1. 如果数据速率设置为2.5 Gb / s，或者选择了半双工，则AVB选项被禁用。
2. 如果未选择AXI4-Lite管理界面，则AVB选项被禁用。
3. 如果选择此选项，则除了三模式以太网MAC许可证以外，还需要收费的以太网AVB端点许可证来启用内核生成。默认设置是不包括AVB端点。

帧过滤器选项（Frame Filter Options）

可以使用帧过滤器生成内核，从而阻止接收与此MAC不匹配的帧。这最常用于识别专门针对此MAC的数据包。默认为使用帧过滤器。

表条目数（Number of Table Entries）

可以使用查找表来生成帧过滤器，该查找表最多可以包含16个其他有效MAC帧匹配模式。您可以选择0到16之间的整数来定义表中存在的匹配模式的数量。默认值为使用四个表条目。

启用优先流控制（Enable Priority Flow Control）

选择此选项可在核心中包括Priority Flow Control支持。如果包括在内，则包括在发送时生成PFC帧并在接收时解释PFC帧的电路，以及对IEEE 802.3暂停请求的增强XON / XOFF支持。默认设置为禁用。

统计计数器（Statistics Counters）

可以使用内置的统计计数器生成内核。可用的计数器数量取决于内核的双工设置，全双工需要34个计数器，半双工需要41个计数器。仅当内核配置有AXI4-Lite管理接口时，才能选择此选项。默认值为包括统计信息计数器

统计宽度（Statistics Width）

统计信息计数器可以是32位或64位宽。这使您可以控制必须轮询计数器的频率，以避免由于溢出而导致信息丢失。默认值为使用64位宽的计数器。

统计重置（Statistics Reset）

当包括统计计数器时，可以包括逻辑以确保在硬件复位时将计数器清除为零。没有此逻辑，计数器值将在复位后保持不变，并且仅在设备配置时清除。默认值为包括计数器重置功能

3.2 IP核的接口说明

例化的IP核的用户接口如下表所示那些，已经封装为axis接口了，而且人家给了IP读写fifo及相关的状态标识，我们只需要用就可以。

3.3 MDIO管理接口设计

实例中的“tri_mode_ethernet_mac_0_axi_lite_sm.v”模块，该模块主要功能是对PHY的配置和对核的配置。配置方式是写寄存器，具体映射关系可看IP使用文档pg051。

这三个状态机通过start_access、start_mdio来驱动具体的步骤。

写有三个操作，这三个操作都是在状态机“axi_access_sm == WRITE”下执行的。

如图所示，首先，在写的过程中中会将s_axi_bready置位高电平表示，这是个响应准备信号，这个信号表明主设备要准备接受写的数据了。与之同时将数据、地址在分别对应的有效信号下发送出去。当收到s_axi_awready脉冲信号表示写地址完成，当收到s_axi_wready信号表示写数据完成。当收到s_axi_bvalid信号表示写事务完成。这三个操作的状态会用axi_status来表示，某位=1表示该事务执行完成，当三个是事务均执行完成，则可进入下一个状态机

状态机的逻辑如下图，其实，知道了其中原理，具体细节和在研究。

这个模块有三个状态机。

1、axi_state：

控制该模块配置管理的整个进程，可以说是指导操作步骤，是主动工作的，这个状态机执行的首要条件是两个“从状态机”在IDLE状态，且没有启动相关进程。

由下图可知“start_access”信号启动“axi_access_sm”状态机，“start_mdio”信号启动“mdio_access_sm”状态机。

这里的设计思想是：

         “axi_state”状态机控制进程，到了一个新的进程，将“start_access”或“start_mdio”拉高，让另外两个模块执行具体的操作。由于这两个信号拉高，“if”条件不满足，跳出该状态机锁存状态。等相对应状态机执行完成后有满足了条件继续下一个进程。

2、mdio_access_sm：

“axi_state”状态机进程中有些数据是对核的配置，有些是对PHY芯片配置寄存器操作的。这个状态机主要是描述对PHY芯片操作的相关逻辑。是由“start_mdio”启动的。具体的读写数据还是由“axi_access_sm”状态机完成，本状态机主要是做发送数据的组合。状态机的执行有个限制条件，如下图，所以该状态机和“axi_state”一样，执行一个周期锁存了，等待数据或读或写完成后再根据条件来启动。

3、axi_access_sm：

该状态机是控制aix4_lite接口的读写操作，无论是对核配置还是对PHY芯片的寄存器读写，都是根据这个状态机来完成的。

写操作时序如下图所示：

“axi_status[2]”表示写数据操作，“axi_status[3]”表示写地址操作，均是收到从器件响应完成对应操作置一，“axi_status[4]”置一表示收到本次写数据完成标识。这2bit为1表示一次写完成。该状态机回到IDLE状态。

读操作时序如下图所示：

该模块的具体执行步骤：

1. （STARTUP）启动状态机，配置MIDO时钟，对核操作

输入的复位信号“s_axi_resetn”是低电平复位，在本模块首先做了取反操作。

在复位结束后延时21个时钟周期启动状态机，并对配置MDIO寄存器（0x500）写入0x58对核支持的MIDO进行配置

2.（UPDATE_SPEED）配置以太网速率，对核操作

对寄存器地址“17'h410”写入“{speed, 30'h0}”，

3.（MDIO_RD）读MDIO，对PHY操作

读寄存器地址1的内容，具体内容可见88E111数据手册的131页介绍。

4、（MDIO_POLL_CHECK）对读PHY数据进行检查

1. 如果均是1，则认为没有管理接口，直接开始对MAC进行复位操作
2. 否则认为有MIDO管理接口，进行对相应配置

我们这里认为是有管理接口的

5、（MDIO_1G）写MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

写MDIO地址9的地址空间，具体内容可见88E111数据手册的155页介绍，是对1000M全半双工的配置。

其中，bit9 = 1表示1000M全双工

6、（MDIO_10_100）写MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作 

由于PHY芯片的MIDO管理接口的寄存器堆网口速率的配置是在不同地址，对于FPGA用一个2bit的speed即可配置三种速率（00=10Mb/s，01=100Mb/s，10 =1Gb/s）。但对于MIDO则需要写两个地址的寄存器。

又由于事先并不知“speed”的值，或者说不对该值进行判断。故还需要对配置10M或100M的寄存器写值，当然写入的值是与写入1000M的内容是互斥的，并不会混淆。

写MDIO的PAGE0的地址4的地址空间，具体内容可见88E111数据手册的137页介绍，是对10M、100M全半双工的配置。

7、（MDIO_PAGE2）换页，写MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作       

8、（MDIO_DELAY_RD）换页，读MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

写MDIO地址15的地址空间，具体内容可见88E111数据手册的158页介绍，

9、（MDIO_DELAY_RD）换页，读MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

10、（MDIO_DELAY_RD_POLL）

锁存读出的数据，为下一周期的写做准备。

11、（MDIO_DELAY）

没看懂

12、（MDIO_RESTART）写MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

这个模块可以选择回环模式，通过“phy_loopback”来设置，目前先不考虑

对MIDO的地址0写数据，数据内容跳过

13、（MDIO_STATS）读MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

读寄存器地址1的内容，用来得到自动协商完成的信号

14、（MDIO_STATS_POLL_CHECK）读MIDO寄存器，对PHY的管理接口操作

如果自动协商操作完成则进入下一个状态，否则等待

15、（RESET_MAC_RX）对核操作

对地址(0x404)写入32'h90000000;//bit 28:Receiver Enable **** bit31:rest

16、（RESET_MAC_TX）对核操作

对地址(0x408)写入32'h90000000;//bit 28:Receiver Enable **** bit31:rest

17、（CNFG_MDIO）对核操作

配置管理寄存器，对地址（500）写入“68”。使能MDIO及配置其速率。

18、（CNFG_FLOW）

配置管理寄存器，对地址（40C）写入“0”。这是流控制配置字。

19、（CNFG_FILTER）

“design_on_board”是个标志位，由（4）来决定的，如果没有管理接口则为0

这里我们设置为1，故将核心设置为混杂模式。对地址“708”写入1

混杂模式：如果此位设置为1，则帧过滤器将设置为混杂模式。无论目标地址如何，所有帧都将传递到接收方客户端。

20、（CNFG_FRM_FILTER_1）

配置管理寄存器，对地址（701）写入“32'h040302DA”。

21、（CNFG_FRM_FILTER_MASK_1）

配置管理寄存器，对地址（750）写入“32' hFFFFFFFF“。帧过滤器掩码值

22、（CNFG_FRM_FILTER_2）

配置管理寄存器，对地址（714）写入“32' h025A0605 “。帧过滤器相关

23、（CNFG_FRM_FILTER_MASK_2）

配置管理寄存器，对地址（754）写入“32' hFFFFFFFF“。帧过滤器相关

24、（CNFG_FRM_FILTER_3）

配置管理寄存器，对地址（758）写入“32'h06050403“。帧过滤器相关

25、（CNFG_FRM_FILTER_MASK_3）

配置管理寄存器，对地址（750）写入“32' hFFFFFFFF“。帧过滤器相关

26、（CHECK_SPEED）

如果收到“update_speed_reg”信号后进入“（2）UPDATE_SPEED”状态更新以太网速率。

“serial_command”这个先不考虑，大致流程是搞懂了

通过管理接口访问MDIO接口完全是寄存器映射。表2-37显示了MDIO寄存器列表。有关详细信息，请参阅MDIO接口。仅当使用可选MDIO接口生成内核时，这些寄存器才可用。

表4.1 MDIO配置寄存器释义

---

欢迎关注“沧小海的FPGA”微信公众号，回复“eth”可获取相关资料和官方例程的仿真时序整理

开发软件为vivado2016.3，打开工程点击“Flow”选择“open static simulation”打开静态仿真可直接查看信号波形