基于FPGA的百兆以太网RGMII接口设计（读书笔记）

这篇文章的整体架构就是先介绍了百兆以太网的背景，百兆以太网又成为快速以太网。再介绍了用FPGA来实现的优点。接着介绍整体的方法和实验，具体介绍了各个模块的作用，并用视频传输作为测试工具，测试结果。

百兆以太网应用场景广，适用于突发通信和继续传送大型数据文件，互换 *** 作性好，具有广泛的软硬件支持。

FPGA是使用逻辑处理专用硬件，无需 *** 作系统，各条处理路径均是并发平行的，因此不同的 *** 作过程不会争夺相同的处理资源，意味着处理速度非常快。FPGA的芯片是Altera的Cyclone IV，PHY芯片是88E1111。

介绍了FPGA芯片EP4CE115F29C7N的功能，并列举了两个方案一是单物理芯片，二是物理层加MAC层继承与同一芯片。本文采用的是第一个方案，采用的芯片是88E1111，并采用的模式是RGMII模式。

系统的整体框架分为上行和下行两个通道，数据通过PHY芯片进入 FPGA，在FPGA中进行数据处理，再送出到PHY芯片传输出去。

preamble_complete模块对前导码进行处理。

4bits_to_8bits将4bits的数据拼接为8bits。

data_processing进行IP和MAC地址替换等 *** 作。

8bits_to_4bits模块将数据拆分成4bits送到PHY芯片输出。

要将88E1111设置为RGMII借口模式，从芯片手册中看到，HWCFG_MODE[3:0]决定了MAC层的接口模式，而HWCFG_MODE[3:0]的值由CONFIG[6:0]来进行映射，因此需要CONFIG4=011,CONFIG5=XX1。并将HWCFG_MODE[3:0]设置为1011，如图所示

说好了配置方法，然后再硬件电路实现

本文的时钟由外部晶振输入的50MHZ作为参考时钟，系统需要的时钟有

1、12.5MHZ以8bit为单位的数据的参考时钟

2、25MHZ以4bit为单位的数据的参考时钟

3、125MHZ时钟来处理数据

4、90°相移之后的25MZH作为参考时钟去产生输出参考时钟CTX_CLK。

这四个时钟都由PLL产生

这是收发时序图。

这个模块主要解决的问题就是前导码的问题，

接收端遇到的问题，首先由于前同步码不是8的整数倍，在拼接成8位时，会产生错位。

如过前导码同步是5_55_55_55_55_55_55，接着是arp的目的地址为FF_FF_FF_FF_FF_FF。那么组成8位就是55_55_55_55_55_55_55_FD，就定位不到5D。

还有一个问题就是在实际观察中，前同步码会有半个周期的0xF。

解决的方法就是使用状态机

分为两个作用，对两组4bits的数据拼接成8bits。

对参考时钟进行转换，从25MHZ转换为12.5MHZ。

拼接部分的RTL图如图

对时钟进行转换只需要通过异步FIFO，以25MHZ写入拼接后的数据，以12.5MHZ读出拼接数据即可。

这模块是核心模块，实现PORT,IP和MAC地址的过滤。使用的时钟是125MHZ，这样的处理速度更快，遇到的问题就是如何将12.5MHZ的时钟转换为125MZH，再将处理完后的时钟转换为12.5MHZ输出数据。

有三个难点：

1、数据长度的不确定性

2、相邻两个数据包间隔不确定性

3、如何保证转换后数据网络的有效性，即使data信号和DV信号的时序关系

这里采用两级FIFO解决，第一个FIFO用来存储数据，同时记录数据长度，将写完后的数据长度写入第二个FIFO，当第二个FIFO非空时，读出数据的长度，这样就做到了data和DV信号的同步。同理需要讲125MHZ转换为12.5MHZ时，再使用上述模块。

需要将8bits拆分为4bits，输出的参考时钟为25MHZ再进行相移。采用DDIO IP核来实现。该IP核如图

如图输入datain_h为1，输入datain_l为0，输出的信号就是参考时钟相移了90°。

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