摘  要： MAC(Media Access Control)層位于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)七層協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層，控制局域網(wǎng)中的多個節(jié)點對共享介質(zhì)的訪問，保證相鄰節(jié)點之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。本文介紹一種吉比特MAC接口的結(jié)構(gòu)，該MAC采用基于描述符傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/DMA" title="DMA" target="_blank">DMA（Direct Memory Access）和雙通道的MTL(MAC Transaction Layer)，在半雙工模式下支持10/100 Mb/s、全雙工模式下支持10/100/1 000 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　關(guān)鍵詞： MAC；描述符；DMA；MTL

0 引言

　　在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的新時期，人們對現(xiàn)有資源共享越來越依賴網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計開發(fā)了多種不同應(yīng)用范圍的局域網(wǎng)技術(shù)。其中，以太網(wǎng)憑借其較高的靈活性和操作性，在局域網(wǎng)技術(shù)使用過程中得到了飛速迅猛的發(fā)展。隨著人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率要求的提高，千兆位以太網(wǎng)應(yīng)運而生。千兆位以太網(wǎng)仍然保留了以太網(wǎng)的幀格式、CSMA/CS機制和MTU[1]，并且引入了載波擴展和幀突發(fā)機制[2]。以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議根據(jù)LAN的特點，把數(shù)據(jù)鏈路層分為LLC（邏輯鏈路控制）和MAC（介質(zhì)訪問控制）兩個子層。MAC層協(xié)議作為數(shù)據(jù)幀收發(fā)的基礎(chǔ)，是以太網(wǎng)技術(shù)的核心，主要負(fù)責(zé)上層數(shù)據(jù)和物理層的數(shù)據(jù)流量控制以及數(shù)據(jù)流的檢測、校驗工作。

　　IP核是采用Verilog等硬件描述語言實現(xiàn)的功能塊。使用IP核的方式便于實現(xiàn)元件系統(tǒng)引用、修改基本元件功能及IP核復(fù)用都非常容易。在SoC設(shè)計中，IP核的使用可以縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計風(fēng)險，已經(jīng)成為SoC設(shè)計中不可缺少的部分[3]。

　　本文主要介紹吉比特MAC接口IP軟核的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)。

1 MAC功能

　　本設(shè)計中的MAC遵守CSMA/CD協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在發(fā)送的過程中打包成標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3幀格式；在接收數(shù)據(jù)過程中，對數(shù)據(jù)幀進行CRC校驗，有效刪除錯誤數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率[4]。支持半雙工和全雙工的操作模式，半雙工模式下支持10 Mb/s/100 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，提高載波擴展和幀突發(fā)機制，并以back-pressure的形式進行流控制；全雙工模式下支持10 Mb/s/100 Mb/s/1 000 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，并采用pause幀的方式進行流控制；支持可編程的幀間距以及幀長度以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀和長達16 kB的超大以太網(wǎng)幀；支持IPv4、IPv6和ICMP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和TCP、UDP傳輸協(xié)議；提供GMII/RGMII/MII/RMII端口與相應(yīng)的PHY端口連接，并且提供MDIO主機對PHY進行配置管理。

2 MAC體系結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，MAC由以下四個部分構(gòu)成：MAC-AXI、MAC-DMA、MAC-MTL、MAC-CORE。MAC采用獨立的數(shù)據(jù)傳輸與寄存器訪問接口，通過AXI接口與DSP連接，通過AXI主機端口進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過AXI從機端口訪問DMA和MAC的系統(tǒng)控制、狀態(tài)寄存器（CSR）[5]。AXI接口基于burst的傳輸方式和獨立的控制、數(shù)據(jù)及響應(yīng)通道，提高了傳輸效率和總線的利用率；DMA提供獨立的數(shù)據(jù)和寄存器訪問接口，數(shù)據(jù)端采用基于描述符的傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組TL，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸效率；MTL提供兩個FIFO對DMA與MAC-CORE之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行緩存；MAC-CORE對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀進行接收發(fā)送并對PHY進行配置管理；各個層次都提供了單獨的發(fā)送、接收通道，加快數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，該MAC IP核的各個層次可獨立，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇合適的結(jié)構(gòu)。

　　2.1 AXI接口

　　MAC通過AMBA3 AXI總線接口與DSP連接。AXI主機接口支持burst請求以隊列的形式發(fā)出讀寫請求，并通過請求重排序，數(shù)據(jù)交錯使得主機可以更加靈活地選擇優(yōu)先請求、慢速外設(shè)從機。在寫數(shù)據(jù)通道設(shè)計了一個深度為8的數(shù)據(jù)請求FIFO，這樣AXI總線上最多能支持8個讀寫請求。此外還設(shè)計了深度為2的數(shù)據(jù)FIFO和響應(yīng)FIFO，用以支持DMA的OSF操作模式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。AXI從機接口訪問MAC的系統(tǒng)控制、狀態(tài)寄存器（CSR）。

　　該接口提供128 bit的數(shù)據(jù)位寬、32 bit的地址位寬，最大burst長度為32，每個ID最多支持4個讀/寫請求，為數(shù)據(jù)的高效傳輸提供了保障。該接口允許來自不同DMA通道的讀寫同時傳輸，以提高總線的利用率。另外，為了減少整個芯片的功耗，DSP可以通過控制AXI接口使MAC進入低功耗模式。

　　2.2 MAC-DMA

　　DMA模塊實現(xiàn)MTL模塊和AXI接口之間的數(shù)據(jù)交換，DSP通過AXI從機接口配置DMA寄存器直接啟動MAC，DSP可以通過設(shè)置DMA CSR來控制DMA的操作。該模塊采用128 bit的數(shù)據(jù)位寬與AXI接口和MTL模塊連接。如圖2所示，DMA提供獨立的CSR訪問接口和數(shù)據(jù)接口；具有獨立的發(fā)送、接收引擎，發(fā)送引擎將數(shù)據(jù)從DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)buffer傳輸?shù)組TL，接收引擎將數(shù)據(jù)從MTL傳輸?shù)紻SP接收數(shù)據(jù)buffer，描述符作為這些buffer的指針；沖裁模塊除了對讀寫操作進行沖裁和發(fā)送接收之間的沖裁之外，還包括對描述符傳輸與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_裁。讀寫數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)單元緩沖，提高傳輸效率。

　　DMA通過描述符的傳輸在DSP盡量少干涉的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，每個描述符可以傳輸8 KB的數(shù)據(jù)，描述符地址寬度與總線寬度一致。描述符有兩類：發(fā)送描述符（TDES0-3）和接收描述符（RDES0-3），如圖3所示，每一類描述符包含兩個buffer、兩個字節(jié)計數(shù)buffer和兩個指向DSP發(fā)送、接收數(shù)據(jù)buffer的地址指針。每一個描述符最多指向兩個數(shù)據(jù)buffer，數(shù)據(jù)buffer可以包含一整幀的數(shù)據(jù)或者不滿一幀的數(shù)據(jù)，但是不能超過一幀，并且只含數(shù)據(jù)，buffer狀態(tài)包含在描述符中。一幀的數(shù)據(jù)可以跨越多個數(shù)據(jù)buffer，但是一個描述符中的數(shù)據(jù)不能跨越多幀。描述符列表有兩種結(jié)構(gòu)：環(huán)型，每個描述符指向兩個數(shù)據(jù)buffer，執(zhí)行到最后一個描述符時跳回描述符列表的首地址；鏈接型，將DES3配置成下一個描述符地址形成描述符鏈，這種模式下的描述符只能指向一個數(shù)據(jù)buffer。

　　與以往基于計數(shù)的DMA傳輸相比，采用基于描述符傳輸?shù)腄MA每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，傳輸速率更快。此外，DMA具有單獨的發(fā)送、接收引擎可加快數(shù)據(jù)的傳輸，并提供幀分隔符以優(yōu)化報文結(jié)構(gòu)的傳輸，對任何正確或錯誤的傳輸都給出狀態(tài)標(biāo)識位，增強數(shù)據(jù)傳輸可靠性，支持可編程地發(fā)送、接收DMA引擎burst尺寸以提高總線利用率，支持每一幀的發(fā)送接收完成中斷控制和各種操作情況下可編程的中斷選擇。

　　2.3 MAC-MTL

　　MTL作為DMA的從設(shè)備，采用128 bit數(shù)據(jù)位寬與DMA和MAC-CORE相連，數(shù)據(jù)傳輸以簡單的FIFO協(xié)議執(zhí)行操作。該模塊包含兩個數(shù)據(jù)通道，發(fā)送通道和接收通道。發(fā)送通道將DMA的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組AC-CORE，DMA控制發(fā)送通道的所有傳輸；接收通道則把MAC-CORE的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻MA，如圖4所示。每個通道都含有單獨的讀寫控制模塊。根據(jù)接收幀的狀態(tài)信息，接收寫控制模塊對接收幀進行過濾，刪除錯誤幀。在發(fā)送過程中產(chǎn)生沖突時，發(fā)送讀模塊將沖突的數(shù)據(jù)幀重新發(fā)送到MAC-CORE端。

　　MTL提供了兩個8 KB的雙端口異步FIFO緩存DMA與MAC-CORE之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。Tx FIFO緩存DMA從DSP內(nèi)存讀取且尚未被發(fā)送到MAC的數(shù)據(jù)，Rx FIFO保存從以太網(wǎng)接收且尚未被傳輸?shù)紻MA的數(shù)據(jù)。除了緩存每一幀的數(shù)據(jù)外，每一幀的狀態(tài)信息緊跟數(shù)據(jù)存入FIFO中，而不需要額外的FIFO來保存，因此只要FIFO未滿就能不斷接收數(shù)據(jù)幀，提高傳輸效率。數(shù)據(jù)FIFO通過選擇信號啟動，即FIFO不工作時處于休眠狀態(tài)，減小功耗。MTL將FIFO的空滿狀態(tài)信息反饋給DMA，再由DMA控制發(fā)送接收操作。此外，Rx FIFO滿的情況下，可以通過pause幀控制或產(chǎn)生back-pressure給MAC-CORE來控制數(shù)據(jù)幀的接收，進行流控制。Tx FIFO的flush操作則是通過軟件來控制的。

　　2.4 MAC-CORE

　　MAC-CORE有發(fā)送、接收兩個通道，實現(xiàn)PHY與MTL模塊的數(shù)據(jù)交互，具有單獨的地址過濾單元，對接收數(shù)據(jù)幀的地址進行檢查以便決定接收幀的傳輸與否。支持多種地址過濾方式：目的地址/源地址過濾、單播地址/多播地址過濾，另外還可以提供哈希表對地址進行過濾，具有單獨的CRC模塊，對每一個接收幀進行CRC校驗，對需要發(fā)送的幀產(chǎn)生CRC檢驗碼。支持可編程的IFG和接收幀的IEEE802.1Q VLAN檢測。對IPv4、IPv6數(shù)據(jù)包負(fù)載進行TCP、UDP、ICMP檢驗以及IPv4首部檢驗和驗證。提供四種PHY端口：MII、GMII、RMII、RGMII，并且輸出端口的數(shù)據(jù)并行輸出，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。提供MDIO模塊對PHY進行配置和管理。

3 MAC體系結(jié)構(gòu)

　　在VCS驗證平臺下，分別在10 Mb/s/100 Mb/s/    1 000 Mb/s傳輸速率下對MAC IP核的RTL級代碼進行了模塊級和系統(tǒng)級驗證，主要驗證其邏輯功能的正確性，邏輯驗證和功能結(jié)果均符合要求。圖5為半雙工模式下100 Mb/s傳輸速率MAC模擬波形圖，圖6是全雙工模式下1 000Mb/s傳輸速率MAC模擬波形圖。模擬驗證表明，該結(jié)構(gòu)的MAC設(shè)計達到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

　　本文針對千兆位以太網(wǎng)的要求，介紹了一種吉比特MAC接口，用Verilog硬件描述語言，實現(xiàn)了一個RTL級的IP核，該MAC采用AXI接口，連續(xù)發(fā)送burst請求，各個通道獨立，提高總線利用率?；诿枋龇麄鬏?shù)腄MA在沒有CPU干涉的情況下，一次可以傳輸大量的數(shù)據(jù)，獨立的雙通道MTL為數(shù)據(jù)快速傳輸提供了保障。MAC-CORE提供了多種類型的PHY端口，數(shù)據(jù)并行輸出，加快了傳輸速率。最后對該MAC進行了模擬和驗證。驗證結(jié)果表明，本文設(shè)計的模塊功能正確，達到了預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻

　　[1] IEEE P802.3ba（tm） D3.2-2010. Telecommunication and information exchange between system-local and metropolitan area networks specific requirements Part3： carrier sense multiple access with collision detection（CSMA/CD）access methodand physical layer specifications[S]. 2010.

　　[2] 蔡開裕，朱培棟，徐明.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

　　[3] 韓建，陳嵐，粟雅娟，等.基于用戶的IP核評測方法[J].微電子學(xué)與計算機，2009，26（11）：43-47.

　　[4] 張偉華，魏仲慧，何昕.嵌入式通用千兆以太網(wǎng)接口的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）：41-43，47.

　　[5] 吳俊杰，吳建輝.以太網(wǎng)MAC控制器的MII接口轉(zhuǎn)RMII接口的實現(xiàn)[J].電子器件，2008（2）：712-715.