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基于10G Ethernet subsystem 的简易万兆光纤通信_调用两个10g ethernet subsystem实现万兆网转接

作者：我家小花儿 | 2024-05-16 00:44:11

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调用两个10g ethernet subsystem实现万兆网转接

基于10G Ethernet subsystem 的简易万兆光纤通信

文章目录

基于10G Ethernet subsystem 的简易万兆光纤通信

前言

1.采用器件

HUAWEI的02310SNN光模块、xlinx vc709开发板

2.参考的手册

《10 Gigabit Ethernet Subsystem v3.1 Product Guide Vivado Design Suite PG157 February 4, 2021》
《VC709 Evaluation Board for the Virtex-7 FPGA User Guide》

3.10G Ethernet subsystem ip核

本次实验不涉及以太网的封装，只是简单的为数据生成模块产生的数据添加mac头，以axi_stream的时序给到10G Ethernet subsystem ip的用户接口，实现两个光模块之间10.3125Gbit/s数据流的对传。
axi_stream时序 IP核配置选择 64bit 模式和10GBASER模式， 10GBASER是一种使用 64B/66B 编码（不是在千兆以太网中所用的 8B /10B）的串行接口，数据流为10.3125Gbit/s。其参考时钟为10.3125Gbit/s/66=156.25MHz
在这里插入图片描述

实现简易的光纤通信就取消了 AXI4-LITE 的配置状态接口，基本 mac 功能可以在接口变量控制更方便。
在这里插入图片描述

DRP时钟100MHz
在这里插入图片描述

最后勾选上shared logic in example design，用上example里面的gt common的qpll来驱动同一个quad（bank）里面的4个sfp

详细的GT高速收发器知识可以先看看网上的介绍，然后直接参考官方手册，网上推荐的介绍：
VIVADO IP核：GT高速收发器（概述和IP example）https://zhuanlan.zhihu.com/p/559776073

详细的设计方案

1.总体架构

在这里插入图片描述

如图所示，这是整体的设计框图。tx_test_data模块产生自定义的裸数据，送到MAC_10gEngine_p2sfp2里面的MAC_TX进行组帧，添加mac头，并将组好帧的数据以axi_stream的时序给到MAC_10gEngine_p2sfp2里面的10G Ethernet Subsystem用户接口，并转串发送出去

MAC_10gEngine_p3sfp1的10G Ethernet Subsystem收到来自MAC_10gEngine_p2sfp2发送过来的串行数据，串转并，以axi_stream时序，将数据给到MAC_10gEngine_p3sfp1的MAC_RX模块，MAC_RX首先将收到数据的mac头提取出来，和自身的mac地址比对，看是否相同，如相同，则将数据解析出来，送到上层
顶层架构如下：

Entity: top_pass_onlymac_10g

File: top_pass_onlymac_10g.v

Diagram
在这里插入图片描述

Generics

Generic name	Type	Value	Description
P_SOURCE_MAC_SFP2		48’h00_11_22_33_44_55
P_TARTGET_MAC_SFP2		48’h00_55_00_55_00_55
P_SOURCE_MAC_SFP1		48’h00_55_00_55_00_55
P_TARTGET_MAC_SFP1		48’h00_11_22_33_44_55

Ports

Port name	Direction	Description
sys_clk_p	input
sys_clk_n	input
key_reset_p	input
txn_sfp2	output
txp_sfp2	output
rxn_sfp2	input
rxp_sfp2	input
txn_sfp1	output
txp_sfp1	output
rxn_sfp1	input
rxp_sfp1	input
tx_fault_sfp2	input
mod_detect_sfp2	input
los_sfp2	input
TX_DISABLE_p2	output
TX_DISABLE_p3	output
TX_DISABLE_p4	output
TX_DISABLE_p5	output
tx_fault_sfp1	input
mod_detect_sfp1	input
los_sfp1	input
USER_CLOCK_P	input	si570的上电差分时钟
USER_CLOCK_N	input
USER_SMA_CLOCK_P	output
USER_SMA_CLOCK_N	output
SMA_MGT_REFCLK_P	input	参考时钟
SMA_MGT_REFCLK_N	input
led1	output	亮说明subsystem的核准备好了
led2	output

Signals

Name	Type	Description
locked	wire
reset	wire
dclk	wire
coreclk	wire
areset_coreclk	wire
gttxreset	wire
gtrxreset	wire
txuserrdy	wire
txusrclk	wire
txusrclk2	wire
reset_counter_done	wire
qplllock_out	wire
qplloutclk	wire
qplloutrefclk	wire
core_ready_sfp2	wire
o_send_data_sfp2	wire [63:0]
o_send_data_sfp2_valid	wire
txoutclk_sfp2	wire
i_target_mac_sfp2	wire [47:0]	通过这几个信号可以修改mac_engine的源mac地址和目的mac地址
i_target_mac_sfp2_valid	wire	通过这几个信号可以修改mac_engine的源mac地址和目的mac地址
i_source_mac_sfp2	wire [47:0]	通过这几个信号可以修改mac_engine的源mac地址和目的mac地址
i_source_mac_sfp2_valid	wire	通过这几个信号可以修改mac_engine的源mac地址和目的mac地址
o_post_data_sfp2	wire [63:0]	post的数据是给到mac engine上层的
o_post_last_sfp2	wire	post的数据是给到mac engine上层的
o_post_valid_sfp2	wire
o_rec_src_mac_sfp2	wire [47:0]	解析出来的收到数据的源mac地址
o_rec_srcmac_valid_sfp2	wire
o_rec_target_mac_sfp2	wire [47:0]	解析出来的收到数据的目的mac地址
o_rec_targetmac_valid_sfp2	wire
core_ready_sfp1	wire
o_send_data_sfp1	wire [63:0]
o_send_data_sfp1_valid	wire
txoutclk_sfp1	wire
i_target_mac_sfp1	wire [47:0]
i_target_mac_sfp1_valid	wire
i_source_mac_sfp1	wire [47:0]
i_source_mac_sfp1_valid	wire
o_post_data_sfp1	wire [63:0]
o_post_last_sfp1	wire
o_post_valid_sfp1	wire
o_rec_src_mac_sfp1	wire [47:0]
o_rec_srcmac_valid_sfp1	wire
o_rec_target_mac_sfp1	wire [47:0]
o_rec_targetmac_valid_sfp1	wire

Instantiations

IBUFDS_inst: IBUFDS
BUFG_inst: BUFG
ODDR_out_clock_inst_user_clock: ODDR
OBUFDS_inst: OBUFDS
clk_wiz_0: clk_wiz_0
tx_test_data_p2sfp2: tx_test_data
axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper_inst: axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper
MAC_10gEngine_p2sfp2_inst: MAC_10gEngine_p2sfp2
MAC_10gEngine_p3sfp1_inst: MAC_10gEngine_p3sfp1
ila_0_instance: ila_0

2.MAC_10gEngine

MAC_10gEngine_p2sfp2和MAC_10gEngine_p3sfp1一样的，就以MAC_10gEngine_p2sfp2来说了

Entity: MAC_10gEngine_p2sfp2

File: MAC_10gEngine_p2sfp2.v

Diagram
在这里插入图片描述

Generics

Generic name	Type	Value	Description
P_SOURCE_MAC		48’h00_11_22_33_44_55
P_TARTGET_MAC		48’h00_55_00_55_00_55

Ports

Port name	Direction	Type	Description
dclk	input
i_rst	input
i_target_mac	input	[47:0]	通过外部模块实时修改mac_engine的mac地址
i_target_mac_valid	input		通过外部模块实时修改mac_engine的mac地址
i_source_mac	input	[47:0]	通过外部模块实时修改mac_engine的mac地址
i_source_mac_valid	input		通过外部模块实时修改mac_engine的mac地址
o_post_data	output	[63:0]
o_post_last	output
o_post_valid	output
o_rec_src_mac	output	[47:0]
o_rec_srcmac_valid	output
o_rec_target_mac	output	[47:0]
o_rec_targetmac_valid	output
i_send_data	input	[63:0]
i_send_data_valid	input
txn	output
txp	output
rxn	input
rxp	input
tx_fault	input
tx_disable	output
mod_detect	input
los	input
qplllock	input
qplloutclk	input
qplloutrefclk	input
areset_coreclk	input
gttxreset	input
gtrxreset	input
txuserrdy	input
txusrclk	input
txusrclk2	input
reset_counter_done	input
txoutclk	output
core_ready	output
sim_speedup_control		SIM
coreclk	input

Signals

Name	Type	Description
pcspma_status	wire [7 : 0]
mac_status_vector	wire [2 : 0]
mac_tx_configuration_vector	wire [79:0]
mac_rx_configuration_vector	wire [79:0]
pcs_pma_configuration_vector	wire [535:0]
signal_detect	wire
tx_ifg_delay	wire [7 : 0]
tx_axis_aresetn	wire
rx_axis_aresetn	wire
o_axis_tx_tdata	wire [63:0]
o_axis_tx_tkeep	wire [7:0]
o_axis_tx_tlast	wire
o_axis_tx_tuser	wire
o_axis_tx_tvalid	wire
o_axis_tx_tready	wire
m_axis_rx_tdata	wire [63:0]
m_axis_rx_tkeep	wire [7:0]
m_axis_rx_tlast	wire
m_axis_rx_tuser	wire
m_axis_rx_tvalid	wire
block_lock	wire
no_remote_and_local_faults	wire
tx_disable_n	wire

Instantiations

ethernet_core_p2sfp2: axi_10g_ethernet_0
MAC_rx_axistream_p2sfp2: MAC_rx_axistream
MAC_tx_axistream_p2sfp2: MAC_tx_axistream

3.axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper

这个是example里面的，其描述为This is the Shared clocking wrapper level code for the 10G Gigabit Ethernet Core. It contains the shareable clocking,reset circuitry and the gt common block.

一定要注意一个quad只能有一个gtcommon，同一个quad中重复使用GT_COMMON的话会出问题

axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper对于同一个quad的4个sfp，只用例化一次就行

Entity: axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper

File: axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper.v

Diagram
在这里插入图片描述

Ports

Port name	Direction	Type	Description
reset	input
refclk_p	input
refclk_n	input
dclk	input
txoutclk	input
txoutclk_out	output
coreclk	output
areset_coreclk	output	wire
gttxreset	output
gtrxreset	output
txuserrdy	output
txusrclk	output
txusrclk2	output
reset_counter_done	output
qplllock_out	output		驱动ip核的参考时钟
qplloutclk	output		驱动ip核的参考时钟
qplloutrefclk	output		驱动ip核的参考时钟

Signals

Name	Type	Description
qplllock	wire
refclk	wire
counter_done	wire
qpllreset	wire

Instantiations

gt_common_block_i: axi_10g_ethernet_0_gt_common
ethernet_shared_clock_reset_block_i: axi_10g_ethernet_0_shared_clock_and_reset
仿真及上板调试验证

1.modelsim仿真

在这里插入图片描述

可以看到sfp2发出的目的mac是sfp1的数据，在sfp1处成功解析接收了

2.上板调试验证并演示

连接方式如图
连接方式如图
在这里插入图片描述

gt的参考时钟要通过线引过来，光模块需要加个7db衰减，详情见我的文章https://zhuanlan.zhihu.com/p/666731398

可以看到代表sfp2处的10g Ethernet subsystem和是是sfp1处的10g Ethernet subsystem的工作状态灯亮了，说明正常工作了。在sfp1的接收处，用ila抓取解析出来的数据，以o_rec_srcmac_valid_sfp1的上升沿为触发条件，如图
在这里插入图片描述

成功解析出sfp2发送过来的数据的mac地址，再次以其他信号作为触发，皆通过验证。

总结分析

1.高速串行接口与GT_COMMON / GT_CHANNEL 问题汇总

最开始我在sfp1和sfp2的macengine上都用了gtcommon，即例化了两次axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper，同一个quad中重复使用GT_COMMON，导致错误。

一个quad只能有一个gtcommon。

另外驱动时要注意GT_COMMOM模块，即一个GT_COMMON最多可以驱动同一个QUAD上的4个GT_CHANNEL，如果说要驱动超过四个或者其他QUAD上的GT，必须要生成新的GT_COMMON模块，来保证其他QUAD上的GT可以正常工作。

这里有篇文章讲的挺好https://cloud.tencent.com/developer/article/1529579

2.Multiple DriverNets: Net ax-10g ethemet 0 shared clocking wrapper inst/ethernet shared cdlock reset blok p3sfp1/B2[0] has multiple drivers

我在axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper例化了两次axi_10g_ethernet_0_shared_clock_and_reset，如下图，发生了错误，一个quad里面4个sfp都用同一个axi_10g_ethernet_0_shared_clock_and_reset，只用例化一次，然后同时给到4个sfp上的10g Ethernet subsystem ip核即可。
在这里插入图片描述

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基于10G Ethernet subsystem 的简易万兆光纤通信_调用两个10g ethernet subsystem实现万兆网转接

基于10G Ethernet subsystem 的简易万兆光纤通信

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前言

1.采用器件

2.参考的手册

3.10G Ethernet subsystem ip核

详细的设计方案

1.总体架构

2.MAC_10gEngine

3.axi_10g_ethernet_0_shared_clocking_wrapper

仿真及上板调试验证

1.modelsim仿真

2.上板调试验证并演示

总结分析

1.高速串行接口与GT_COMMON / GT_CHANNEL 问题汇总

2.Multiple DriverNets: Net ax-10g ethemet 0 shared clocking wrapper inst/ethernet shared cdlock reset blok p3sfp1/B2[0] has multiple drivers