楊瑩1，張琴1，楊燦美2，林福江1
?。?.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230027）
摘要：深入研究以太網(wǎng)組幀、傳輸?shù)姆绞揭约?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/流量控制" title="流量控制" target="_blank">流量控制的原理，結(jié)合萬(wàn)兆以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（XGMAC）64 bit數(shù)據(jù)并行處理的特點(diǎn)，針對(duì)PAUSE幀響應(yīng)周期長(zhǎng)、占用硬件資源多的問題，設(shè)計(jì)了一種精簡(jiǎn)的基于PAUSE幀的流量控制電路，在ISE中邏輯綜合與仿真。驗(yàn)證結(jié)果表明，該電路可滿足萬(wàn)兆以太網(wǎng)流量控制的要求。
關(guān)鍵詞：萬(wàn)兆以太網(wǎng)；流量控制；XGMAC；PAUSE幀
0引言
自2002年萬(wàn)兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae［1］提出以來，萬(wàn)兆以太網(wǎng)技術(shù)得到迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，近年來逐步取代千兆以太網(wǎng)成為新一代的城域骨干網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于千兆以太網(wǎng)MAC層的125 MHz時(shí)鐘頻率與8 bit數(shù)據(jù)處理位寬，萬(wàn)兆以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制(10 Gigabit Ethernet Media Access Controller, XGMAC)層采用156.25 MHz時(shí)鐘頻率與64 bit數(shù)據(jù)處理位寬。時(shí)鐘頻率的提高、數(shù)據(jù)位寬的增大給MAC層流控制電路的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)［2］。本文針對(duì)XGMAC層的特點(diǎn)提出一種高效、低功耗的流控制電路設(shè)計(jì)方案，旨在減少流控制機(jī)制對(duì)系統(tǒng)造成的額外延時(shí)并以此提高發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的效率。
1基于PAUSE幀流控制的原理
為了提高傳輸效率，XGMAC層采用PAUSE幀進(jìn)行流量控制。PAUSE幀為符合IEEE802.3協(xié)議的一種控制幀，遵從以太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)度64 B的限制［3］。
流量控制原理如圖1所示，當(dāng)local_XGMAC 接收模塊中接收緩存快滿（快空）時(shí)，local發(fā)送模塊根據(jù)圖1XGMAC流量控制示意圖
流量控制模塊指示的信號(hào)發(fā)送時(shí)間參數(shù)為0xFFFF（0x0000）的PAUSE幀。remote_XGMAC接收模塊接收到PAUSE幀并確認(rèn)有效后，提取時(shí)間參數(shù)用于流量控制模塊的暫停發(fā)送計(jì)數(shù)器賦值，并以此控制發(fā)送模塊暫停(恢復(fù))發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
2流量控制電路的結(jié)構(gòu)
如圖2所示，XGMAC流量控制模塊分為發(fā)送和接收兩個(gè)部分。
2.1PAUSE幀發(fā)送電路設(shè)計(jì)
千兆以太網(wǎng)中，因其8 bit的數(shù)據(jù)處理位寬限制，PAUSE幀通常使用邏輯狀態(tài)機(jī)，按照幀格式通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換填充至發(fā)送緩存，邏輯略顯繁瑣。
本文經(jīng)過對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于暫停發(fā)送與恢復(fù)發(fā)送這兩種功能的幀，數(shù)據(jù)中有且只有時(shí)間參數(shù)與CRC校驗(yàn)碼不同，考慮到XGMAC內(nèi)部數(shù)據(jù)為64 bit并行處理，設(shè)計(jì)時(shí)可將幀中固定部分（即目的地址到操作碼）與控制字節(jié)直接固化于72 bit位寬的PAUSE ROM空間內(nèi)，時(shí)間參數(shù)根據(jù)幀的功能對(duì)應(yīng)賦值即可。發(fā)送電路的結(jié)構(gòu)如圖2上半部分所示。實(shí)際工作中，由發(fā)送PAUSE控制器根據(jù)接收緩存邏輯判斷結(jié)果選擇PAUSE ROM或發(fā)送緩存FIFO作為數(shù)據(jù)源，按照XGMAC數(shù)據(jù)格式送至預(yù)存數(shù)據(jù)FIFO即可。
本文設(shè)計(jì)的PAUSE發(fā)送控制器流程如圖3所示。
計(jì)數(shù)器于發(fā)送PAUSE幀后啟動(dòng)，用于保證兩次PAUSE幀發(fā)送的間隔時(shí)間；local XGMAC處于暫停接收狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)到接收緩存快空時(shí)，即進(jìn)入發(fā)送PAUSE幀狀態(tài)，設(shè)置時(shí)間參數(shù)0x0000，通知remote XGMAC可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。PAUSE幀所需的CRC32校驗(yàn)、填充及組幀可共用XGMAC本身的數(shù)據(jù)處理模塊。
使用Verilog HDL［4］語(yǔ)言對(duì)PAUSE發(fā)送控制器進(jìn)行描述，部分關(guān)鍵代碼如下：
always@(posedge clk_tx or negedge reset_tx_n) begin
if(!reset_tx_n) pauserom_sel <= 1′b0;
else if(local_busy&pause_tmzero&(tx_empty|tx_eop)) pauserom_sel <= 1′b1;
else if(pause_eop) pauserom_sel <= 1′b0;
end
assign txl_rdat= pauserom_sel? pauserom _rdat : tx_rdat;
assign txl_eop = pauserom_sel? pauserom_eop : tx_eop;
assign txl_sop = pauserom_sel? pauserom_sop : tx_sop;
assign txl_empty = pauserom_sel? pause_rempty : (tx_empty | pause_state);
assign pauserom_ren = pauserom _sel? txl_ren : 1′b0;
assign tx_ren =pauserom _sel? 1′b0 : txlfifo_ren;
其中，local_busy表示接收緩存FIFO快滿；pause_tmzero表示計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)結(jié)束；pause_state表示當(dāng)前處于暫停發(fā)送狀態(tài)。
2.2PAUSE幀接收電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的接收電路結(jié)構(gòu)如圖2下半部分所示，接收PAUSE幀控制器是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。與千兆以太網(wǎng)的8 bit數(shù)據(jù)處理位寬不同，64 bit并行識(shí)別PAUSE幀與定位參數(shù)的方式可大幅提高處理速度。XGMAC采用Deficit Idle Count（DIC）算法保證數(shù)據(jù)32 bit對(duì)齊；在本設(shè)計(jì)中利用移位寄存器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的64 bit對(duì)齊，方便XGMAC的后續(xù)處理。實(shí)際工作中，3個(gè)時(shí)鐘周期可完成PAUSE識(shí)別。
PAUSE接收控制流程如圖4所示。檢測(cè)到幀頭后進(jìn)行判斷：若為PAUSE幀，設(shè)置暫停發(fā)送或者恢復(fù)發(fā)送的狀態(tài)；若是數(shù)據(jù)幀，則根據(jù)當(dāng)前接收FIFO狀態(tài)保存數(shù)據(jù)，遞交上層協(xié)議。部分關(guān)鍵代碼為：
if (curr_cnt == 11′d0 && rx_aligndat［47:0］ == ′PAUSE_FRAME) begin
next_pause_addr = 1′b1;
end
if (curr_cnt == 11′d8) begin
next_pause_addr = 1′b0;
if( pause_addr && rx_aligndat ［47:32］ == ′PAUSE_TYPE &&
rx_aligndat ［63:48］ == ′PAUSE_OPERATE) begin
next_pause_opera = 1′b1;
end
end
if (curr_cnt == 11′d16 && pause_opera == 1′b1) begin
next_pause_opera = 1′b0;
next_pause_time = rx_aligndat ［15:0］;
next_pause_frame = 1′b1;
end
其中，第一個(gè)時(shí)鐘沿完成組播目的地址的檢測(cè)；第二個(gè)時(shí)鐘沿結(jié)合地址檢測(cè)結(jié)果并行檢測(cè)幀的類型與操作碼；第三個(gè)時(shí)鐘根據(jù)前兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果獲取時(shí)間參數(shù)并用于發(fā)送計(jì)數(shù)器。
3仿真及驗(yàn)證
電路選用Virtex5系列 XC5VSX50T型FPGA芯片，按以下流程使用ISIM進(jìn)行仿真驗(yàn)證：（1）模擬以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中插入PAUSE幀；（2）模擬以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收過程中檢測(cè)PAUSE幀；（3）將發(fā)送部分與接收部分相連進(jìn)行環(huán)回測(cè)試，檢測(cè)PAUSE幀發(fā)送與接收整個(gè)過程。環(huán)回測(cè)試截取仿真時(shí)間140 ns~550 ns的波形如圖5所示。圖5回環(huán)測(cè)試結(jié)果A處表示正常狀態(tài)下發(fā)送PAUSE控制器選擇讀取發(fā)送緩存 FIFO；B處監(jiān)測(cè)到接收緩存FIFO快滿，進(jìn)入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送狀態(tài)階段；C處表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀讀取完畢；結(jié)合B處狀態(tài)，D處發(fā)送PAUSE控制器切換讀取PAUSE ROM并發(fā)送，若持續(xù)檢測(cè)到接收緩存FIFO快滿，則于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成后再次進(jìn)入D狀態(tài)，計(jì)數(shù)過程中正常發(fā)送數(shù)據(jù)幀；E處pause_frame_ok信號(hào)指示PAUSE幀環(huán)回后被正常接收識(shí)別。
在ISE中對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行約束，綜合后得到最高運(yùn)行頻率達(dá)181.23 MHz，頻率設(shè)計(jì)余量約16%，滿足XGMAC設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)論
針對(duì)萬(wàn)兆以太網(wǎng)MAC層64 bit并行數(shù)據(jù)的特殊性，本文通過在發(fā)送緩存鏈路中插入控制電路，利用小容量ROM配合簡(jiǎn)易邏輯的方式，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端的流量控制。相對(duì)于純狀態(tài)邏輯的實(shí)現(xiàn)途徑，此方式更容易凸顯電路的簡(jiǎn)潔，從而提升電路的高速性能；接收鏈路中，將接收數(shù)據(jù)64 bit對(duì)齊后，并行檢測(cè)特征參數(shù)以識(shí)別PAUSE幀，并提取時(shí)間參數(shù)反饋至發(fā)送端，有效地提升了處理速度。經(jīng)過仿真，驗(yàn)證了該方案可行。本文的思路對(duì)其他高速通信的流量控制電路設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。
參考文獻(xiàn)
?。?］ IEEE Std 802.3ae2002, Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation［S］.2002 .
［2］ 張友亮, 劉志軍, 馬成海，等. 萬(wàn)兆以太網(wǎng)MAC層控制器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J/OL］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,（20110224）.http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20110224.1050.005.html.
?。?］ 張立明，章建雄，王玉艷. 千兆以太網(wǎng) MAC 的流量控制策略［J］. 計(jì)算機(jī)工程，2011，37（15）：256258.
?。?］ 夏宇聞．Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第二版）［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008．