简谈基于FPGA的千兆以太网

时间：2024-07-28 来源：网络搜集关于我们 0

点击上方

蓝字

关注我们

当今，随着互联网技术的迅速发展，采用以太网实现数据采集和控制方面的应用，成为了电子系统设计的热点。以太网具有价格低廉、稳定可靠、传输速度快、传输距离远等特点，以太网技术发展成熟，具有很高的性价比。采用以太网技术的设备，可以通过ＴＣＰ／ＩＰ协议进行数据的传输，不需要进行传输协议转换，使用和维护设备简单。随着技术的发展和各类应用的需求，出现了各种以太网的标准，包括标准以太网（10Mbit/s）、百兆以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网[1]。不同类型的以太网有其各自需要遵循的标准，同时其所用的传输介质以及数据吞吐量也各不相同。千兆以太网技术作为新一代的高速以太网技术，它可以提供1Gbps的通信带宽，采用和传统10M、100M以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太网技术价格便宜的特点。对于学习者而言，你就是要搞清楚弄明白以太网如何去实现，在实际操作中怎么去做，从这个角度出发的话，你就会发现其实没那么复杂，这就是说起来没那么难。那真正实现起来，到具体的各个接口以及细节的调试以及调通，你会发现还是比较烧脑的。所以呢，咱们先来聊一聊以太网的各个接口，从大体框架来分析如何去学习。咱们就以千兆以太网举例，千兆以太网，只是说以太网的速率为千兆，也就是1G。除了千兆网，还有百兆网，万兆网，当然这些都是指的以太网的速率。不同速率的以太网，在FPGA端的接口表现形式也是不一样的。下边就来介绍百兆网和千兆网的接口形式。这是网口与FPGA连接的常用方案，RJ45就是咱们平常说的水晶头，Ethernet PHY是以太网的PHY芯片，之后就是Ethernet PHY与FPGA相连。

下边是以太网PHY芯片与FPGA连接的简单的架构图（不代表全部的信号输入输出端口）

先说百兆网，百兆网的接口一般为MII（Media Independent Interface），当然10M网用的也是MII接口。下图是一块以太网PHY芯片的一些手册资料截图。

在百兆网模式下，其RXCLK的周期为40ns，也就是25M，数据端口RXD只用了4根线RXD[3:0]，然后25M*4 = 100M，这样算出来，就是100M的速率了。接着再来说一下千兆网，千兆网的接口，就目前接触比较多的接口有3种，GMII，RGMII和SGMII。先说GMII，RxClk的周期为8ns，也就是125M，数据端口使用了8bit，125M*8 = 1000M，速率就是千兆网了。

还有RGMII，其时钟频率也为125M，但是它只使用了4个线，不过，RGMII使用的是双沿模式，也就是DDR模式，在时钟的上下沿都可以传送数据。这样算的话，125M*4*2 = 1000M，还是千兆网。RGMII与GMII主要的区别就是双沿采样与单沿采样。

之后还有SGMII，全称为Serial Gigabit Media Independent Interface，也就是串行的以太网接口。RGMII，GMII还是MII，都是使用并行接口，而且还需要随路时钟，而SGMII只需要2组线，一组是发送，一组是接收，当然一组线由两根差分线组成。SGMII也是需要8/10B编码。这样在PCB布线时，就可以节省一些布线的空间。当然，对于FPGA来讲，也节省了FPGA的引脚资源。SGMII一般在公司的项目会用的多一些，像GMII，RGMI在某宝上卖的开发板上一般都有。下面就简单的说说以太网数据格式，IEEE.802.3数据格式汇总，帧间隙IFG>=96bittime，10zM/100M/1000M格式一样。如下图简单的端口信号显示截图。

上面介绍了那么多接口以及以太网的相关知识，那么问题来了，如何去快速学习千兆以太网呢？个人认为掌握好总体框架以及接口细节，理解UDP协议，掌握抓包等等，慢慢琢磨学习，大家都可以慢慢掌握好的。那么下面咱们就来聊聊千兆以太网的UDP协议，并且会结合wireshark抓包软件抓取到的以太网包，带着大家看一下以太网的协议到底是怎么样的呢？当然，像我们常用的以太网协议有TCP/IP，UDPTCP/IP和UDP相比，TCP/IP是一种数据可靠的协议，而UDP是一种数据不可靠的协议。至于为什么TCP/IP是可靠的，而UDP是不可靠，留给大家自行百度。在wireshark中可以抓取到经过网口传输的很多数据包，可以说只要是经过网口的数据，在wireshark中都能抓到。大家可以去下载一个WireShark来学习一下吧，免费下载使用哦！（备注：网络协议分析器 WireShark是一款开源的网络数据帧分析软件，可以抓取网络数据封包，提供每个数据帧的详细信息，如MAC地址、数据帧类型、IP地址、UDP端口、等重要信息，方便开发者对网络数据协议的分析与相关测试。WireShark官网：https://www.wireshark.org/）

下面我们根据抓取到的一个UDP包，来给大家介绍UDP的协议

第一部分，可以粗略的知道该UDP包，其源IP和目的IP到底是什么。第二部分，是对该UDP包的简短描述，从中可以大约的知道该数据包的数据长度，源MAC地址，目的MAC地址，等等相关信息。第三部分，可以说是这个包的所有数据。一个完整的数据包，还会有数据包的帧头，帧尾还有CRC校验的数据。看到第三部分，这全是十六进制的字符，这TMD的到底是什么意思呢？关于这些内容，点开第二部分的展开图标，就可以一探究竟了。