FPGA学习笔记——以太网_phy与fpga连接

简介

以太网是一种产生较早，使用相当广泛的局域网技术，局域网就是一个区域的网络互联，可以使办公室也可以是学校等等，大小规模不一。包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。这里单位是bit，换成byte百兆网能达到的最大网速为12.5MByte/s，千兆网能达到的最大网速为 125MByte/s。

网络模型

只考虑4层模型：

• 应用层：FTP、HTTP、SMTP
• 传输层：TCP、UDP
• 网络层：IP、ICMP、ARP/RARP
• 网络接口层：MAC

架构

此次学习考虑的架构图如下，用户数据在经过传输层时，传输层对用户数据进行封装，在用户数据的基础上添加了一个 TCP/UDP （这里用UDP协议）首部数据，此时数据包变成了 UDP 段；当它经过网络层时，网络层对 UDP 段进行封装，UDP 段变为IP 数据报；当它经过网络接口层时，网络接口层对 IP 数据报进行封装，此时 IP 数据报变成了完整的以太网帧。打包好数据帧后通过MII/GMII/RGMII等接口经过PHY芯片，通过网口传出。到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部数据，将用户数据解析出来处理。

其中PHY芯片作用：PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说没有帧的概念），然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。PHY还有个重要的功能就是可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。
 

数据帧格式

总体数据帧大致如下：

1、MAC层

1.1  目的MAC：

        目的MAC地址从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。        

• 单播：第一个字节的最低位为0，比如00-00-00-11-11-11，用于标志唯一的设备；
• 组播：第一个字节的最低位为1，比如01-00-00-11-11-11，用于标志同属一组的多个设备；
• 广播：所有bit全为1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，它用于标志同一网段中的所有设备。

1.2  类型：

• 数值小于1536：这个字段表示长度
• 数值大于1536：0X0800-IP        0X0806-ARP

2、IP层

• 版       本：4bit，0100-IPV4 0110-IPV6。
• 首部长度：4bit，表示IP首部一共有多少个32位（4字节），没有可选字段时数值固定为5
• 服务类型：8bit。3位优先级字段+4位TOS，最后一位固定为0。一般为0，表示一般服务。
• 总  长 度：16bit，表示IP报文总长度：IP首部+IP数据。
• 标       识：16bit，表示第几条报文，上电初识为0，每发一条报文+1。
• 标       志：3bit，分片。第1位保留，第2位（1是不分片，0分片），第3位标志更多的分片。
• 片  偏 移：13bit，片偏移，在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
• 生存时间：8bit，防止丢失的数据包无休止的传播，一般设置为64或128（每转发一次-1）。
• 协       议：8bit，此数据报所携带上层数据使用的协议类型，TCP-6，UDP-17，ICMP-1。
• 首部校验：16bit，该字段只校验数据报的首部，不包含数据部分；校验IP数据报头部是否被破坏、篡改和丢失等。
• 源  地  址：32bit，自身IP地址。
• 目的地址：32bit，接收方的IP。
• 可选字段：数据报中的一个可变长度的可选信息，选项字段以32bit为界，不足时插入值为0的填充字节，保证IP首部始终是32bit的整数倍。

3、UDP层

UPD特点是：无连接、不可靠、高速率，格式如下：

UDP首部共8个字节，同IP首部一样，也是一行以32位（4个字节）为单位。

• 源端口号：16位发送端端口号，范围从0到65535。
• 目的端口号：16位接收端端口号。
• UDP长度：16位UDP长度，包含UDP首部长度+数据长度，单位是字节（byte）。
• UDP校验和：16位UDP校验和。UDP计算校验和的方法和计算IP数据报首部校验和的方法相似，但不同的是IP数据报的校验和只检验IP数据报的首部，而UDP校验和包含三个部分：UDP伪首部，UDP首部和UDP的数据部分。伪首部的数据是从IP数据报头和UDP数据报头获取的，包括源IP地址，目的IP地址，协议类型和UDP长度，其目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地，只是单纯为了做校验用的。在大多数使用场景中接收端并不检测UDP校验和。

ICMP层和ARP层后面再详细写。

MII接口

PHY芯片与FPGA之间的接口为MII，即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。“媒体独立”表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。MII接口的类型有很多，常用的有MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII，下面对它们进行一一介绍，不做赘述，只简单对比一下。

1.MII RMII

MII数据接口包含16个信号和2个管理接口信号。分别有单独的接收时钟和发送时钟。它的TX和RX数据线分别有四根，以4位半字节方式传送数据双向传输，时钟速率25MHz时其工作速率可达100Mb/s。当时钟频率为2.5MHz时，对应速率为10Mb/s。MII接口虽然很灵活但由于信号线太多限制了多接口网口的发展。

RMII（精简的媒体独立接口），它减少了以太网通信所需要的引脚数。根据IEEE802.3标准，RMII标准则将引脚数减少到了7个，收发数据为2bit，所以百兆网中时钟信号需要提高到50MHz，收发时钟均采用50MHz时钟源。MAC和外部的以太网PHY需要使用同样的时钟源。

总结（以百兆网为例）：

• MII传输4bit数据，时钟频率为25MHz；RMII传输2bit数据，时钟频率为50MHz。
• MII有两条时钟线，RMII只有一条。
• MII不需要与MAC层时钟一致。RMII需与MAC层时钟一致，通常从MAC层获取该时钟源。

2.GMII  RGMII

GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，两条时钟线，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。

RGMII，精简GMII接口。它的发送/接收数据线由8条改为了4条，时钟线还是两条。虽然RGMII信号线减半，但时钟仍为125Mhz，为了达到1000Mbit的传输速率，TXD/RXD信号线在时钟上升沿发送接收GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0]，在时钟下降沿发送接收TXD[7:4]/RXD[7:4]，即RGMII为双沿传输。

总结：

• GMII传输8bit数据，时钟频率为125MHz；RGMII双沿传输4bit数据，时钟频率为125MHz。
• GMII和RGMII都有两条时钟线。

MII接口详解：以太网详解（一）-MAC/PHY/MII/RMII/GMII/RGMII基本介绍-CSDN博客