基于fpga的千兆光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

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1、基于FPGA的千兆光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)　　1引言　　隨著近幾年互聯(lián)X+的提出與推廣,X絡(luò)技術(shù)應(yīng)用范圍越廣泛,而在計(jì)算機(jī)X絡(luò)的發(fā)展技術(shù)當(dāng)中,在不同應(yīng)用領(lǐng)域存在著激烈的競(jìng)爭(zhēng),在以太X技術(shù)以穩(wěn)定性、通用性、開放性、高速性和廉價(jià)性,很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同樣100MbPs帶寬下工作的FDDI與快速以太X相比具有許多的優(yōu)點(diǎn),最主要表現(xiàn)在快速以太X技術(shù)支持3、4、5類雙絞線以及光纖的連接,能充分的利用現(xiàn)有的設(shè)備而獲得更高的帶寬和速度。但快速以太X的技術(shù)沒有改變,當(dāng)X絡(luò)數(shù)據(jù)量大時(shí),會(huì)造成數(shù)據(jù)吞吐量降低。　　千兆光纖以太X技術(shù)不但繼承了傳統(tǒng)以太X技術(shù)價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),而且還填補(bǔ)了8

2、02.3以太X/快速以太X標(biāo)準(zhǔn)的不足。千兆光纖以太X利與原來(lái)以太X標(biāo)準(zhǔn)所有規(guī)定全部相同,完全兼容以太X和快速以太X,因此可以實(shí)現(xiàn)在原有低速以太X基礎(chǔ)上平滑、連續(xù)性的X絡(luò)升級(jí)。　　以太X發(fā)展至今也具有一定的優(yōu)勢(shì),從辦公、生活X絡(luò)應(yīng)用,走向了工業(yè)控制領(lǐng)域,發(fā)展到國(guó)防軍工、航空航天等可靠性、高速性的領(lǐng)域?，F(xiàn)在通過通信技術(shù)的提高,通信速率得到了提高,從以前的10M、100M發(fā)展到現(xiàn)在的1000M、1G,X絡(luò)速度的加快使得整個(gè)X絡(luò)中的負(fù)擔(dān)降低,同時(shí)傳輸延時(shí)時(shí)間也大大減小;也采用了全雙工的模式,X絡(luò)上數(shù)據(jù)的收發(fā)同時(shí)進(jìn)行,全雙工的模式也避免了因碰撞引起的通信響應(yīng)不確定,將

3、以太X用于軍工、航空航天等領(lǐng)域,使得具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)管控一體化幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。　　基于FPGA的千兆光纖以太X的數(shù)據(jù)傳輸,使得有效傳輸數(shù)據(jù)的吞吐量最大化。千兆光纖X作為新一代的以太X技術(shù),不僅保持原來(lái)的10M、100M以太X已有的CSMA/CD協(xié)議,而且還保持幀格式和長(zhǎng)度不變,同樣支持全雙工與半雙工模式,也最大的繼承了傳統(tǒng)以太X的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。利用原有的以太X標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上制定了千兆以太X,完全兼容了已經(jīng)普遍應(yīng)用的快速以太X,根據(jù)原有X絡(luò)基礎(chǔ)上更新設(shè)備就可方便的將普通的X絡(luò)升級(jí)到千兆以太X。千兆以太X向下兼容

4、,并支持多種模式,可以利用現(xiàn)今市場(chǎng)上廣泛存在的非屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。千兆以太X與普通X絡(luò)一致具有良好的可擴(kuò)展性。千兆以太X可以做到低廉的價(jià)格及優(yōu)異的性能,用戶在已搭建的X絡(luò)基礎(chǔ)上就可以升級(jí)。　　2FPGA實(shí)現(xiàn)以太X控制　　2.1以太X數(shù)據(jù)層　　目前最為廣泛的參考模型為OSI(OpenSystemInterconnection,開放系統(tǒng)互連),應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)的以太X也遵循這個(gè)模型,該模型由ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)提出了一種在現(xiàn)有X絡(luò)的基礎(chǔ)上不基于設(shè)備和系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。該模型成為OSI7層協(xié)議,從底層開始,依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、X絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層

5、、表示層和應(yīng)用層。如IEEE802.3z中千兆光纖技術(shù)OSI7層模型。介于物理層和X絡(luò)層之間為數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer),其主要功能包括:將數(shù)據(jù)拼接成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),控制數(shù)據(jù)幀在物理信道上的傳輸,為實(shí)體X絡(luò)間提供建立連接、維持和釋放的服務(wù),由接收方的數(shù)據(jù)流的大小要求調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送速率以使其相匹配。同時(shí)完成幀結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建、錯(cuò)誤的查找及糾正以及信道上數(shù)據(jù)流量的控制,有效實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可靠傳輸?！　?.2以太X幀結(jié)構(gòu)　　以太X幀是X絡(luò)通信信號(hào)的基本單元,以太X多組數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,封裝成幀的形式進(jìn)行發(fā)送。以太X的幀分為數(shù)據(jù)幀和管理幀,其中數(shù)據(jù)幀分為

6、標(biāo)準(zhǔn)幀和VLAN擴(kuò)展幀。和分別顯示了以太X標(biāo)準(zhǔn)幀和VLAN采用的擴(kuò)展幀的機(jī)構(gòu),傳輸是數(shù)據(jù)從左面開始傳輸。在兩種幀結(jié)構(gòu)下的區(qū)別在源地址與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度間是否有4個(gè)字節(jié)的標(biāo)志位來(lái)區(qū)別,兩種形式下的以太X幀都包含幀前導(dǎo)(Preamble)、幀起始符(SFD)、MAC地址、數(shù)據(jù)類型/長(zhǎng)度(Length/Type)、數(shù)據(jù)字段、幀檢驗(yàn)字段(FCS),其中幀前導(dǎo)由7個(gè)字節(jié)0x55構(gòu)成,幀起始由7個(gè)字節(jié)0xd5構(gòu)成,幀檢驗(yàn)字段是為從MAC地址開始通過CRC校驗(yàn)生成4個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和;對(duì)于選擇無(wú)論什么樣的幀格式,都必須要由7個(gè)字節(jié)幀前導(dǎo)、1個(gè)字節(jié)幀起始、4個(gè)字節(jié)幀校驗(yàn)字段FCS,這三

7、個(gè)字段在本文中選擇的芯片上必須要滿足,否則是數(shù)據(jù)不能穿透PHY進(jìn)行傳輸?！　?實(shí)現(xiàn)以太X傳輸PHY芯片的硬件設(shè)計(jì)　　3.1PHY芯片接口　　通過FPGA實(shí)現(xiàn)千兆光纖以太X數(shù)據(jù)傳輸選擇了88E1111物理接口芯片,如,88E1111芯片功能結(jié)構(gòu)圖,對(duì)于此款芯片包含兩種X絡(luò)接口,一種就是以太X線接口,另一種就是本文中要實(shí)現(xiàn)的光纖接口,其中對(duì)于光口的連接通過串行總線接口與PHY連接,然后PHY芯片連接MAC通過GMII或RGMII接口連接;串行總線接口包含S_IN+/-,S_OUT+/-和SD+/-幾個(gè)引腳?！　⊥ㄟ^光纖接口數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是典型的直街連接到MAC,并

8、且對(duì)PHY芯片是沒有輸入信號(hào)檢測(cè),在默認(rèn)模式下信號(hào)檢