Xilinx 千兆以太网TEMAC IP核用户接口信号

用户接口包括AX14-Stream发送接口和AX14-Stream接收接口，下文简称为用户发送接口和用户接收接口，数据案度可以是易位或16位，其中，8位接口主要针对标准的以太网应用，它利用一个125MHz的时钟产生1Gbps的数据率;当使用16位宽时，可以在不提高时钟频率的条件下将用户接口的数据率提高到2Gbps。

1 用户发送接口功能和信号介绍

（1）用户发送接口信号描述

Vintex-6 FPGA的 TEMAC使用AX14-Stream接口与用户进行数据交互，AXI4-Stream标准的详细信息请参考ARM*AMBA* AXI4-Stream Protocol Specification v1.0。用户通过 AX14-Stream发送接口将数据发送到TEMAC核。需要注意的是，未单独声明的信号都是高电平有效。发送接口全部信号的简要说明如下表1所示。

表1 发送接口情号及描述

（2）用户发送接口信号时序

1)8位宽的用户接口时序

发送时，将数据帧置于tx axis mac_tdata数据接口总线上，并将tw_axis_mac_tvalid置为有效，用户侧等待,直到tx_axis_mac_tready信号有效时发送数据。如果tx_axis_mac_ tready信号一直有效，用户侧持续发送后续字节。

8位案的数据帧的正常发送时序如图1所示，其中，DA为6字节的目的地址:SA为6字节的源地址:L/T为2字节的长度/类型域;FCS为4字节的帧校验序列。所有信号和时钟_mac_ack同步，发送时首先将数据的首字节送入x_axis_mac_tdats总线，同时将w axis mac tvalid置为有效，维持信号的当前状态，等待MAC核发送的tx axis mac tready 信号变为有效。当to axis m_tready 信号有效时，表示MAC可以接收数据，此时用户接口陆续输入后续字节:当xaxis mac tready信号无效时，用户接口停止输入字节，继续等待txaxis mac tready信号变为有效。在图1中，用户接口在tx_axis_mac_tready信号为“1”时，先发送两个字节，等待x_axis_mac_tready信号再次为“1”时，发送后续的字节，帧传输完成的标志是在帧发送到最后一个字节时，t_axis_mac_tlast 置为有效。

图1 数据帧的正常发送时序（8位接口）

2)16位宽的用户接口时序

当选用16位宽的用户接口时，数据帧发送过程与8位宽接口时序基本一致，区别在于选用16位宽接口时增加了tu_axis_mac_tkeep[1:0]总线，用于指示toaxis mac tdata[15:0]总线两字节中有效的字节(16位时每个时钟周期发送两个字节数据)，该指示位只对帧尾信号有作用。需要注意的是，tx_axis_mac_tdata[7:0]用于发送16位数据的高字节，tx_axis_ mac_tdata[15=8]用于发送16位数据的低字节,例如,图2中的DA地址为AA-BB-CC-DD EE-FF，tx_axis_mae_tdata[15:0]总线发送的数据时序依次为“BBAA”、“DDCC”和“FFEE”。在正常的帧发送过程中，tx_axis_mac_tkeep[1:0]一直置为“11”,表示tu_axis mac tdata [15:0]总线的两字节都有效:当发送数据帧尾时，tx axis mac tlast置为高，此时xxis mac_tkeep[1:0]合法值可取“11”或“01”，分别表示tx_axis_mac_tdata[15:0]总线的两字节都有效或只有高字节有效。

图2 数据帧的正常发送时序(16位楼口)

（3）IFG和统计功能

用户发送接口除了发送数据信号外，还包括帧间隔控制和发送统计矢量信号，帧间间隔调整和发送统计的相关附属信号如表2所示，

表2 帧间间隔调整和发送统计的相关附属信号

1）帧间间隔调整

在半双工工作模式下，MAC核在向物理层传输数据之前，首先进行截波侦听，如是物理链路上有载该，说明有数据正在线路上传输，本端数据必须先等待;当信听到载波消失后，本端数据可以准备发送。CSMA/CD协议规定两帧数据之间必须存在间隔，即InterFrame Gsp(IFG)，其间隔时间用于链路上的设备恢复状态，以便顺利接收下一帧数据。在全观工模式下，两端收发接口直接互连，不存在接收和发送信号冲突，此时不需要进行链路的载波侦听，MAC核只需要控制自身的发送接口，在以太网相邻两帧之间插入一定的空闲周期实现InterFrame Gap,MAC核的下一帧数据在空闲周期结束后再发送。

IPG空闲周期数由 tx_ifg_delay的值决定，最小值为IEEE802.3规定的12个发送时钟周期，当帧间间隔调整使能信号Interframe Gap Adjust Enable 置为0或 tx_ifg_delay的值小于12时，IFG的 x_ifg_delay都默认为12。在用户发送接口实现帧阒间隔调整功能的过程如图3所示。MAC核可以通过延迟将x_axis_mae tready信号延迟置为高。使得用户楼口的t_axis_mac_tdana 信号延缓发送数据，达到IFG规定的周期后，将 txaxis mae_trendy信号置为高，发送接口可以继续发送数据帧。

图3 帧间间隔调整功能示例

2)发送统计失量时序

发送数据帧的信息统计由tx_statistics_vector内部的比特位完成，tx_statistics_vaid是其有效的指示信号，发送时序如图4 所示，tostatistics vector[31:0]在最后一帧给出统计矢量，u_statistics_valid为高时有效。

图4 经计矢量的发送时序

统计矢量的比特位定义。VLAN帧发送,帧发送的FCS等内容详见Xilinx LogiCORE IP Virtex-6FPGA Embedded Tri-Mode Ethemet MAC Wrapper v2.3(即UG800).

2 用户接收接口功能和信号介绍

（1）用户接收接口信号描述

AX14-Scream主要面向高速数据流传输,TEMAC核的用户侧采用AX14-Stream 楼口。用户接收接口信号及描述如表3所示。

表3  用户接收接口信号及描述

（2）用户接收接口信号时序

8位宽的接收接口数据帧正常传输时序如图5所示,所有信号和时钟emae_aelk同步。当收到一个数据帧时，对每个有效字节置rx_axis_mac_tvalid为高电平。在接收帧的最后一个字节时，_exis_mat_tlast有效。

图5  接收接口数据帧正常的输时序(8位)

16位宽接口的数据帧接收过程与8位宽时大致相同，区别在于16位宽接收接口增加了xaxis mae tkeep[1:0]总线。用于指示每个时钟周期所接收到的2字节数据是否有效。如图6所示为16位宽的接收接口信号时序图，正常接收过程中，rx_axis_mac tkeep(1:0]一直为*11”,直到rx axis mae tlast 置为高。此时rx axis mae tkeep置为“11”或“01”，图中 DA的顺序为AA-BB-CC-DD-EE-FF.L/T为0x00FE。此处需要注意的是， rn axis mac idata[7:0]接收的是高字节，nxaxis mac tdata[15:8]为低字节，字节内的比特位顺序不变。

图6 16位宽的接收接口信号时序

当rx_axis_mac_tlast 和 rx_axis_mac_tuser都置为有效时表示当前帧中包含错误，如图7所示。

图7 接收错误数据帧的接口信号时序

TEMAC核接收到错误帧时，将x_axis_mac_taser 信号置高，接收帧错误的原国包括: FCS错误:

● 帧长度小于64字节的最小值限制:

● 接收到了Jumbo帧，但是Jumbo帧功能未选;

● 接收到了1519~1522字节长的VLAN帧，但是VLAN帧功能未选:

● 需要填充至最小帧长度但未填充；

● 帧接收时的物理搓口指示错误:

● 设定了帧过滤功能，检测到不匹配的数据帧:

● 在1000BASE-X或SGMII模式时，8BVIOB编码错误，

（3）接收统计矢量信号和时序

接收接口的统计矢量信号如表4所示，接收数据帧的信息统计由r_statistics ectar内部的比特位完成，r statistics valid是其有效的指示信号。

表4  接收接口的统计矢量信号

接收接口的统计矢量信号时序如图8所示，x_statistics_vector[27:0]在最后一帧给出统计矢量，当rx_statisties_valid信号置高时有效。

图8 接收接口的统计欠量信号时序

（4）流控功能和接口信号

在全双工模式下，TEMAC核可以通过暂停控制帧的发送和响应来实现流量控制功能。流量控制的需求示例如图9所示，图中右侧TEMAC核的参考时钟比标准的125MHz稍快，左侧TEMAC核的参考时钟比标准的125MHz稍慢，左侧TEMAC栋的接收速率无法匹配上右侧TEMAC核的发送速率，如果没有流量控制机制，将造成左侧 TEMAC核的接收 FIFO溢出。通过引入流控机制，在左侧的FIFO溢出前，通知右侧 TEMAC核停止发送数据，这样可以避免数据帧丢失或损坏。

图9 流量控制的需求示例

1)流量控制的基本原理与暂停控制帧格式

流量控制的基本原理是通过TEMAC核接收端向发送斕发送暂停控制帧，使得数据线路在特定的时间段内停止传输数据。以图9为例，当左侧TEMAC核中的FIFO接近饱和时，左侧TEMAC核可以发送暂停请求来控制流量，当右侧TEMAC核接收到左侧TEMAC核发送的暂停控制帧时，将会在暂师控制帧设定的暂停时间内停止发送数据。暂停控制帧格式如图10所示，在一个有效的暂停控制帧中，其长度为以太网的最小帧长度64字节;其目的地址为保留的组播地址Ox0180C2000001;源地址为发送暂停控制帧端口的48位MAC地址:MAC控制类型域为0x8808，表明该帧为暂停控制帧:暂停控制帧操作码为0x0001(即进行PAUSE操作);暂停时间长度为2字节，它是暂停发送方请求对方停止发送数据的时间长度，时间单位是pause_quantem(为当前速率下传输512位数据所用的时间，如1Gbps时为512ms)，Pwuse Time 的范围值为0x0000-0xFFFF，通常设为0xFFFF:剩余字段填克为0(填充以达到最小帧长度)，随后接FCS 域。

图10 暂停控制帧格式

2)流控制接口信号

表5描述了流控接口信号。

表5流控接口信号及描述

3)流量控制的进行机制

(1)暂停控制帧的发送。当TEMAC核被配置为支持流控帧传输时，pause val总线用于传输暂停值，用户通过将pause rtq信号置为高来启动流擦帧的发送，暂停请求时序如图11所示。当对TEMAC核发出暂停请求时，若当前发送接口处于空闲状态，即未发送数据帧时，暂停控制帧立即被发送，反之，如果发送端在发送暂停请求的时刻处于发送忙状态，必须在当前帧发送完成后，暂停控制帧才被允许发送。

图23暂修请求时序

在暂施控制帧格式中，目的地址为IEEE802.3定义的多播地址，这样使得任何具有流控功能的TEMAC核都能响应:源地址为可配置的暂停控制帧MAC地址:paus0_req置高有效时，从pause_val[15:0]信号采样得到的数值被编码写入TEMAC控制参数段，用于选择暂停时间间隔(以pause_qeantum为单位时间》，

当TEMAC核被配置为不支持流控帧传输时，用户可以不利用TEMAC核内部自带的暂停控制帧发送功能。而采用通过用户逻辑连接到AX14-Stream发送接口实现，利用 AX14-Stream 後口直接发送暂停控制帧，任何类型的控制帧都可以通过发送端 AX14-Stream接口进行发送，其传输过程和以太网标准数据帧是一样的。

(2)暂停控制帧的接收。TEMAC核对接收到的数据帧都要进行校验，包括帧格式，帧校验及帧长度，若接收到的数据帧无法满足校验要求，则通过将naxis me tuser信号置高。指示接收的帧发生错误。当TEMAC核配置为支持暂停控制帧响应时， TEMAC核对接收到的正确数据帧执行相关帧格式解析功能，

a.目的MAC地址域是IEEE 802.3定义的控制多播地址(01-80-C2-00-00-01)或用户自配置的智停控制帧MAC地址；

b. 长度/类型城与MAC控制类型码匹配;

c. 接收帧的操作码(OPCODE)与以太网MAC控制操作码匹配。

如果以上3步匹配过程都正确，且帧长度正好是64字节，则表明该帧为暂停控制帧，其16位的MAC控制参数将作为pause_quantum的数目决定传输超迟时间，传输延迟可以通过对 AX14-Stream 楼口的t区_axis_mac_tready信号一直置为无效来实现，延缓数据渣的发送，等到暂停时段结束后再摄mas treadly置为有效。这样用户才可以再向MAC发送数据，从而达到流量控制的目的。对于上述3步匹配过程不全正确的接收帧，可以当作错误帧直接丢弃，或由用户逻辑负责解析、响应或丢弃。

当TEMAC核配置为不支持暂停控制帧响应时，可采用用户逻辑实现流控帧的识别和解析功能:对接收正确的帧进行3步匹配过程，若匹配正确，则接收到的帧为暂停控制帧，执行相应的暂停操作;若匹配不都正确，表明接收帧是非暂停控制帧，执行其他操作。