基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计
1赞今天给大侠带来基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计，由于篇幅较长，分三篇。今天带来第一篇，上篇，以太网基本原理以及以太网控制器（MAC）的基本框架。话不多说，上货。
为了方便参考学习，后两篇这里也放上超链接：
导读
当前，互联网已经极大地改变了我们的生产和生活。与之相适应的，在嵌入式系统的研究开发方面，也越来越重视网络功能。嵌入式系统已经不再局限于一个个孤立的控制、处理单元，而是走向网络集成化，从而实现了多个系统的集中控制、信息共享。
以太网（Ethernet）技术在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；此外，经过适当剪裁和优化的 TCP/IP 协议栈，也完全可以适应工业用途的需求。另一方面，相对于新兴的 USB 2.0、IEEE 1394 等总线，以太网技术在传输距离、布线成本以及控制软件的通用性上都有明显的优势。
基于以太网的嵌入式系统，在以下方面都有良好的应用前景：
• 工业：工业控制、网络仪表、远程的分布式数据采集……
• 家庭自动化：智能家庭、信息家电、家庭网关……
• 商业：远程销售平台、智能自动售货机、公共电话卡发行系统……
• 环保：水源和空气污染监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全……
• 其他：交通管理、车辆导航、自动抄表……
因此在使用 FPGA 设计各种嵌入式应用系统时，需要考虑为系统提供以太网接口。本章将 通过 FPGA 实现一个以太网控制器（MAC）的实例，详细介绍实现过程。
第一篇内容摘要：本篇会介绍以太网基本原理，包括以太网协议的参考模型、MAC 子层、媒体无关接口（Media Independent Interface）等相关内容，还会介绍以太网控制器（MAC）的基本框架等相关内容。
一、以太网基本原理
一般所说的以太网协议是指根据 IEEE 802.3 规范制定的局域网协议（LAN，Local AreaNetwork）中的 CSMA/CD 协议。目前，以太网通信常用的介质是双绞线和光纤。
注意：CSMA/CD 协议是 Carrier sense multiple Access with Collision Detection 的缩写，是带有检测冲突的载波侦听多路存取协议，具体内容请参考 IEEE 802.3 规范。
1.1 以太网协议的参考模型
以太网协议的逻辑关系遵循 OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model，开放式系统互联参考模型），如图 10-1 所示。
物理层是指网络通信连接的媒介物质，用于携带计算机之间的以太网信号。当前应用最多的是双绞线和光纤。使用这两种媒介，以太网目前可以实现 4 种传输速率。
• 10 Mbit/s：10Base-T 以太网。
• 100 Mbit/s：快速以太网。
• 1000 Mbit/s：千兆位以太网 802.3z。
• 10 千兆位以太网：IEEE 802.3ae。
图 1 以太网协议逻辑关系的参考模型
MAC 子层有两个基本职能：数据封装，包括传输之前的帧集合和接收中、接收后的帧解析/差错监控；媒体访问控制，包括帧传输初始化和传输失败恢复。
上层协议根据实际应用可以选择多种不同的协议，如 IP 协议、TCP 协议、HTTP 协议等。常用的 TCP/IP 协议如图 10-2 所示。
图 2 上层协议
在进行实际的以太网通信中，每一种协议都是运行在其下面层次的协议基础上。例如，当两个计算机系统使用 FTP 协议传输文件时，从用户看来是两个系统基于 FTP 协议的直接交流，实际上文件的数据传输则是经过了层层打包和解包的协议路径，如图3 所示。
图 3 FTP 协议的通信过程
上层的各个协议栈要分别实现对数据的打包、解包、校验以及对下一层相关协议的调用。例如，在 IP 协议栈从以太网驱动收到一个数据包后，经过解包、校验，确认是否为有效的 IP包，如无效则舍弃该包；如有效则进一步判断包内的数据，转而调用 TCP、UDP、ICMP 等协议或使用户自定义的处理服务。而以太网控制芯片的功能是完成 TCP/IP 协议簇分层模型中链路层的相关工作，它处理与双绞线 RJ-45 接口之间的所有物理细节。
本篇将要介绍的以太网控制器将实现有关 MAC（媒体访问）子层的控制功能。在此基础上，开发人员可以简便、快速地开发出基于以太网的嵌入式系统应用。因为以太网的上层协议可以根据需求的不同进行选择，物理层可以根据网络速率不同选择特定的媒介物质。下面将详细介绍有关 MAC 层的内容。
1.2 MAC子层
MAC 子层在上层协议和以太网网络之间传输和接收数据，其主要功能是确保以太网上每一帧数据的传输都遵循了 IEEE 802.3 规范所规定的介质存取规则。
a．基本帧数据格式
IEEE 802.3 规范为实现 MAC 定义了一套基本的帧数据格式，如图 4 所示。
图 10-4 帧数据格式
各个字段的含义及规定如下。
• Preamble（PRE）：报头，字段中 1 和 0 交替使用，接收方通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步接收物理层帧接收和导入数据流的方法。
• Start-of-frame delimiter（SFD）：帧起始分隔符，字段中 1 和 0 交替使用，结尾是两个连续的 1，表示下一位是目的地址的第一个字节的第一位。
• Destination Address（DA）：目标地址，用于识别需要接收帧的目的地。
• Source Address（SA）：源地址，用于识别发送帧的源地址。
• Length/Type：长度/类型，表示包含在帧数据字段中的 MAC 数据大小，也可以表示帧的类型。
• Data：数据，是一组 n（46≤n≤1500）字节的任意值序列。
• Frame check sequence（FCS）：帧数据校验序列，该序列包括 32 位的循环冗余校验（CRC）值，由发送方生成，通过接收方进行计算以校验帧是否被破坏。
b．帧传输
MAC 层从上层协议接收到发送帧数据的请求，首先按照下面的次序将数据和地址信息保存到 MAC 层的帧数据缓冲区中。
• 插入报头和帧起始分隔符。
• 插入目标地址和源地址。
• 统计来自上层协议数据的数量，插入数量值。
• 插入来自上层协议的数据，如果数据量小于 46 字节，则补齐 46 字节。
• 根据目标地址、源地址、长度/类型和数据产生 CRC 校验序列，并插入校验序列。
一帧完整数据组成后，MAC 层可以开始发送帧数据。有两种发送方式可供选择：半双工（half duplex）和全双工（full duplex）。IEEE 802.3 规范规定所有的以太网 MAC 都要支持半双工方式，即一个时刻只能进行发送或者接收，而不能同时进行发送和接收。全双工方式下发送和接收可以同时进行。
c．帧接收
帧接收的过程和发送的过程是相反的。首先检查帧数据中的目标地址和当前地址是否相符，然后检查接收到的帧数据中的数据长度、CRC 校验序列和实际的数据长度、CRC 校验序列是否相符。如果都相符，则将数据交给上层协议进行解析，MAC 层的传输任务完成。
1.3 媒体无关接口（Media Independent Interface）
IEEE 802.3 规范提出媒体无关接口（Media Independent Interface，MII）就是为了能够实现 MAC 层和不同的物理层（PHY）之间的逻辑连接，如图 5 所示。
图 10-5 媒体无关接口
MAC 层可以通过媒体无关接口连接不同的物理层。根据对以太网通信速率的要求选择合适物理层接口。针对不同的物理层，媒体无关接口可以以不同的方式实现到 MAC 的逻辑连接。例如在 10Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 1 位来串行发送/接收数据流；在 100Mbit/s以太网通信中，媒体无关接口使用 4 位来串行发送/接收数据流；在 1000Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 8 位来串行发送/接收数据流。
二、以太网控制器（MAC）的基本框架
下面将要介绍的以太网控制器（MAC）实现了以太网标准的第二层协议——MAC（媒体访问控制）协议，完全符合 IEEE 802.3 和 IEEE 802.3u 规范所规定的 10Mbit/s 和 100Mbit/s 以太网标准。如图 6 所示，使用这个以太网控制器外部连接一块 PHY 芯片（实现了物理层功能的芯片）就可以进行数据链路层的通信，即帧通信。在此基础上可以方便、快捷地开发出更高层次的协议，实现 FTP、HTTP 等协议。
图 6 以太网控制器
这个以太网控制器具体实现了以下内容。
• 符合 IEEE 802.3x 规定的全双工帧控制。
• 半双工传输模式下的 CSMA/CD 协议。
• 32 位 CRC 校验序列的自动产生和检查。
• 报头的产生和去除。
• 发送和接收数据包的完全状态控制。
• 满足 IEEE 802.3 规定的 MII（媒体无关接口）。
针对以太网控制器需要完成的任务，本节将设计以太网控制器的程序框架，并对各个重要部分进行讲解，如图 7 所示。
图 10-7 以太网控制器程序框架
以太网控制器的程序框架包括如下几个主要部分。
• 主机接口（Host Interface）：主机接口用来连接主机部分，将接收到的数据帧保存到存储器中，同时从存储器中载入需要通过以太网接口传输的数据。主机上可以实现更高层次的以太网协议。
• 数据发送模块（Transmit Module）：完成所有与发送数据相关的操作，包括产生报头、添加 CRC 校验序列等。
• 数据接收模块（Receive Module）：完成所有与接收数据相关的操作，包括去除报头、CRC 校验。
• 控制模块（Control Module）：完成以太网控制器所有功能需要执行的操作。
• 媒体无关接口模块（Media Independent Interface）：提供一个与媒体无关的接口，用来连接外部的以太网 PHY 控制芯片。
• 状态显示模块（Status Module）：记录以太网控制芯片进行数据传输时各个状态的变化。
• 寄存器模块（Register Module）：为以太网控制芯片提供需要的所有寄存器。
本篇到此结束，下一篇带来基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计（中），会介绍以太网控制器（MAC）程序的实现，包括顶层程序、媒体无关接口模块（Media Independent Interface Module）、数据发送模块、数据接收模块、控制模块等相关内容。
为了方便参考学习，后两篇这里也放上超链接：
