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千兆以太网FPGA原型验证解决方案 —基于亚科鸿禹VeriTiger®系列原型验证平台

2023年08月02日

为满足不同芯片设计的数据通信场景，缩短原型验证平台的搭建时间，实现快速数据传输，提升验证效率，千兆以太网解决方案利用Xilinx提供的AXI_1G/2.5G Ethernet SubSystem IP核来实现MAC功能，替代MAC接口，大大简化硬件电路设计，是适合用于进行验证数据通信功能的解决方案。亚科鸿禹VeriTiger®原型验证系统为各类SoC设计的数据通信提供高性能千兆以太网解决方案。

千兆以太网FPGA原型验证解决方案

————基于亚科鸿禹VeriTiger®系列原型验证平台

以太网协议是现代通信技术中常见的通信协议，计算机与互联网实现信息交流共享必备通信接口之一，以太网通信协议由IEEE和ISO于1985年共同推出，也被称为IEEE 802.3标准，标准规定包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议等。以太网数据通信具有价格低廉、稳定可靠、传输速度快、传输距离远等特点，利用以太网设备可以通过TCP/IP协议进行数据的传输，无需转换传输协议。作为当今最为通用的通信协议标准之一，适用于各种网络通信场景下的应用连接。人工智能、车载通信、多媒体等SoC芯片大多都会将以太网接口作为数据通信必不可少的通信方式。

随着应用需求的增加和科技的发展，以太网也由最开始的2.94Mbit/s逐渐发展至如今的标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）、甚至速率更高的以太网（10Gbit/s）。其中，千兆以太网凭借其低成本，强抗干扰性，高通信速率、高性能等特点脱颖而出，逐渐发展成为主流网络技术。

千兆以太网技术是建立在基础以太网标准之上的技术，兼容标准以太网与快速以太网，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，包括相同的帧格式、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，不改变传统以太网的桌面应用、操作系统。

亚科鸿禹VeriTiger®系列原型验证平台千兆以太网解决方案

VeriTiger®系列原型验证平台千兆以太网解决方案的硬件环境由VeriTiger®原型验证母板（如图1所示）、配套以太网相关功能子卡（如图2所示）、数据传输连接线组成，通过子卡提供真实的外设来构建设计原型，进行功能验证并提供深度调试。

图 1 VeriTiger®原型验证母板图 2以太网子卡

“千兆以太网” 解决方案：

通过亚科鸿禹自研的HSPI2-UTEH、HYDX-DDR3子卡完成原型验证环境创建，启动工程验证。HSPI2-UTEH为以太网子卡，外置KSZ8091RNB,DP83867IR两款PHY芯片，可支持MII、GMII、RGMII、RMII模式下的以太网通信。子卡的GMII网口为千兆MII接口，采用8位数据接口，工作时钟为125MHz，传输速率可达到1000Mbps，同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。HYDX-DDR3为内存子卡，支持64BIT、32BIT。该方案通过调用Xilinx提供的AXI_1G/2.5G Ethernet SubSystem IP，包含IEEE802.3标准中描述的功能。硬件连接时，需插入HSPI2-UTEH子卡至原型验证系统的插座处，并用网线连接以太网子卡的长网口和PC端网口，设置J29为Close状态，短接J31的1、2管脚，3、4管脚，即可实现GMII模式下的数据通信，如图3所示。

图 3 GMII模式的子卡连接图

工程整体结构如图4所示：

图4 工程整体结构图

GMII模式下，PHY芯片侧的接口信号如图5所示：

图5 GMII模式下接口信号图

TX_EN：发送数据使能信号，高电平有效；
TX_ER：发送错误信号，高电平有效；
GTX_CLK：发送时钟信号，频率为 125MHz；
TX_D：发送数据8Bit，FPGA通过该数据线将需要发送的数据发送给PHY芯片；
RX_DV：接收使能信号，高电平有效；
RX_CLK：接收时钟信号，125MHz；
RX_ER：接收错误信号，高电平有效；
RX_D：接收数据8Bit，8位带宽，FPGA通过该数据线从PHY芯片接收数据；

发送或接收数据时，采用8位数据接口，工作时钟为125MHz，传输速率可达到1000Mbps。解决方案中，PC端发送数据时，数据先传输至PHY芯片，此时，Ethernet Subsystem接收此信息，向MicroBlaze发送中断，随后，MicroBlaze控制DMA将数据搬运至DDR中。PC端接收数据时，也由MicroBlaze控制DMA搬运数据至PC端。

方案适用于验证：数据高传输速率的SoC设计。

图 6 VeriTiger®原型验证千兆以太网解决方案硬件环境

亚科鸿禹除千兆以太网解决方案外，也支持标准以太网和快速以太网解决方案，可实现RGMII模式、MII模式以及GMII模式下的数据通信。

RGMII模式下

设置J29插座为OPEN状态，其余硬件连接与GMII模式保持一致。RGMII模式下，发送或接收数据时，采用4位数据带宽，比较大的区别是,将RX_DV和RX_ER信号集成到了RX_CTL上，时钟上升沿采集信号RX_DV，下降沿采集信号RX_DV^RX_ER（异或）；将TX_EN和TX_ER信号集成到TX_CTL上，时钟上升沿采集信号TX_EN，下降沿采集TX_EN^TX_ER（异或），如图7所示。由于下降沿采集的是异或结果，所以一般情况下，RX_CTL信号为高电平有效，为保证正确采集数据，PHY芯片需要将接收到的GTX_CLK信号延迟约1/4个时钟周期。