huxiaokai2005 -【Artix-7开发板试用】Artix-7 50T开发板 (四) 以太网深入

 作者：huxiaokai2005
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以太网可以说是现今应用最广泛的数据通信协议之一，本篇从物理层对以太网在Artix-7 50T开发板上应用进行评测。

一、原理：

按照技术发展以太网可以分为：标准以太网、快速以太网、千兆以太网和万兆以太网。

标准以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问的访问控制方法，使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，如10Base-5，10Base-T，10Broad-36，10Base-F等，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“宽带”；

快速以太网可以达到100Mbps的带宽，支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，不过仍是基于CSMA/CD技术，可分为100BASE－TX 、100BASE－FX、100BASE－T4三个子类；

千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，可达到1Gbps的吞吐量，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技术价格便宜的优点。千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。千兆以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准，IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。

万兆以太网规范包含在 IEEE 802.3 标准的补充标准 IEEE802.3ae中，它扩展了IEEE 802.3 协议和 MAC 规范，使其支持 10Gb/s 的传输速率。除此之外，通过 WAN 界面子层（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640 Gb/s （OC-192），这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络（SONET） STS -192c 传输格式相兼容。

以太网数据传输以“帧”为基本单位，其中可分为四类：

1）Ethernet II

2）Novellraw IEEE 802.3

3）IEEE802.2 LLC

4）IEEE802.2 SNAP

以EthernetII为例，如下图，一帧可分成：6bytes Destination MAC Address，6bytes Source MAC Address，2bytes EtherType，46~1500 bytes Payload和4bytes CRC Checksum。

不同的帧类别，其MTU（maximumtransmission unit）和格式会有不同，如下表

Artix-750T开发板上的以太网接口如下图所示，选用两片TITP83630以太网物理层传输芯片（PHY）。FPGA与PHY之间是RMII接口，RMII在保证传输吞吐量的情况下，相比于MII接口需要的引脚更少，FPGA内部通过MAC控制与PHY之前的数据传输；

RMII接口共有8根信号：

l输入端：RX_ER，错误检测输入信号；CRS_DV，载波侦听/输入数据有效；RXD[1:0]，输入数据

l输出端：TX_EN，输出有效；TXD[1:0]，输出数据

l参考时钟：REF_CLK，50MHz，由FPGA输出给PHY

二、环境搭建：     

开始调试RMII接口，在Vivado中建立工程，编写代码，系统结构如下所示，PHY1接收数据 à

中间数据缓冲 à PHY2输出数据。

Run Synthesis后，通过Set Up Debug将RMII接口相关的信号加入到ILA cores中，以便后续调试。

进行后续进程：Run Implementation和Generate Bitstream完成vivado工程的搭建；然后进行硬件环境的搭建，如下图所示，两个以太网口分别通过USB网卡连接至PC，右侧用于将数据从PC发送到Artix-7 50T开发板，左侧用于在PC端接收来自Artix-7 50T开发板的数据。

三、调试：   

为了方便比对，如下图所示为RMII接口数据接收的时序图：

笔者在PC端调用WinPcap库写了个发送以太网帧的小程序

发送以太网帧的同时，使用Wireshark侦听右侧USB网卡，如下图为抓取的以太网数据包，大小为111字节。

同时在Vivado设置CRS_DV的上升沿作为触发，如下图为抓取CRS_DV，RXD[1:0]的时序图，总共为502个时钟周期，减去10个时钟周期IDLE，32个时钟周期Preamble+SDF和16个时钟周期CRC，剩下444个时钟周期数据，其中每个时钟周期传输2比特数据，所以得到111字节，PC端发送和FPGA抓取的数据一致。

RMII接口发送数据的时序图如下

由PHY1接收到的数据，不经过处理，直接通过PHY2输出，Vivado抓取TX_EN，TXD[1:0]的时序如下图，总共492个时钟周期，减去32个时钟周期Preamble+SDF和16个时钟周期CRC，剩下444个时钟周期数据。

在Wireshark中侦听另一个USB网卡，如下图，接收到以太网帧，大小111字节，数据也与发送的数据一致。

如下动态图，两个网口的右侧LED灯会闪一下，说明有数据交互

四、总结

本篇评测首先介绍了以太网的基本知识，然后在Artix-7 50T上评测了以太网的物理层数据传输，调试了RMII接口的发送和接收时序，评测结果与理论一致。