千兆以太网工程模块划分总结与分析

千兆以太网工程模块划分总结与分析

很多朋友在工程模块划分的时候总会遇到很多问题，比如不知道如何下手、模块划分不合理等；我开始也是这样的，在学习了明德扬的几项工程以后，按照老师分享的思路，也对模块划分有了一定的小经验，今天通过案例的方式与大家分享。

一、模块划分要点总结

1、列出项目的功能要求（客户提出的产品功能要求）

2、画出硬件的系统结构框图（添加外设）

3、框图中每个外围接口都对应有一个接口转换模块

接口转换模块的作用是将外围器件的接口时序转为通用的接口时序，或者将通用接口时序转换为外围器件接口时序，这样使得FPGA内部其他模块不用再关心外围接口的时序了。

MDY规范通用接口时序：

l data以及对应的vld，传输单个数据格式

l MDY的包文格式，din，vld，SOP，EOP，MTY，ERR

l wren，waddr，wdata；rden，raddr，rdata，rdata_vld

4、考虑是否涉及指令系统（操作码+数据格式）

上位机，例如PC，ARM，DSP或者其他的器件，只涉及到一个接口，但是却有很多指令或者命令功能要发送，因此就需要一个指令系统。

指令系统一定会涉及到命令、地址和数据。这种情况，肯定会有一个“寄存器解析模块”，根据命令、地址和数据，改变相应的寄存器的值。

5、考虑外围器件是否涉及寄存器配置

项目中有某些外设，上电工作前需要进行配置才能按要求工作。因此需要对外设内部寄存器进行读写，这一流程是通过FPGA来进行配置。

遇到这个情况，使用MDY推荐的模块寄存器配置结构：

寄存器配置表模块+寄存器读写配置模块+外设配置接口时序转换模块

6、根据实际情况，增加、补充或者拆分，优化对应模块，随时调整

原则：根据接口信号，看模块间是否方便对接。接口就决定了模块功能。所以在这一层的调整，一定要清楚接口的定义。

7、考虑是否涉及多路进一路出，要用FIFO

调度FIFO要考虑自身带宽能否满足多路一起突发发送时的数据量情况。如果带宽不满足，就要要输出给上游模块RDY信号。此时RDY信号有效取决于自己设置FIFO的Almost Full信号。如果带宽满足则不必设RDY信号。

8、考虑是否涉及到速率匹配问题，要加上RDY信号或者FIFO

首先考虑与外围器件通信的接口上是否需要rdy信号（FPGA内部运行频率往往与设接口速率不一致），然后考虑FPGA内部模块间数据带宽是否不一致，有等一等的情况。

二、千兆以太网工程案例分析

根据前面总结的要点，通过实际项目案例来分析一下FPGA内部功能模块是怎样划分的。这里我们选取已经做过的千兆以太网工程，接下来按照上面总结的模块划分步骤，一步步完成模块初步划分！

1.列出项目的功能要求

本项目功能要求：FPGA内部产生要发送的包文数据，通过UDP协议，发送给PC；PC发送UDP格式包文数据，FPGA需要解析UDP协议，提取出用户数据；ARP协议实现定期发送ARP协议，获取对方电脑的物理地址。

功能分析：

a) FPGA内部产生发送的包文数据；

b) 要通过UDP协议发送，就需要添加MAC协议头部，IP协议头部，UDP协议头部；

c) FPGA接收到PC发来的UDP报文，要一层层解析协议头部信息，先解析出MAC头，然后是IP头，UDP头，最后才能获取用户数据；

d) FPGA定期发送ARP协议请求报文；

e) FPGA接收到PC发来的ARP协议应答报文，要解析出源MAC地址；并在发送包文数据中，将获取的MAC地址作为目的MAC地址进行打包发送。

2.画出硬件系统结构框图

根据步骤1总结出的功能要求，找到除FPGA外需要哪些外围器件。分析得出：

FPGA与PC通信是以千兆以太网的形式，需要将FPGA输出的信号调制成千兆以太网信号，本项目选取了外部PHY芯片RTL8211来实现此通信调制功能。同理PC端发送的数据通过千兆以太网网线传输，需要经过PHY解调后输出给FPGA；

为了设计方便，FPGA发送的报文数据中，完成FCS校验的计算交给了MAC IP核来完成；同理，接收端接收到PC发来的报文数据也由MAC IP核完成FCS校验；

前期为了验证设计，考虑添加按键作为触发MAC IP核初始化的启动条件。

外围器件总共需要三个：

a) 按键

b) 2PHY（RTL8211）

c) 3PC

画出系统框图如下所示：

3.框图中每个外围接口都对应有一个接口转换模块

a) 按键对应的接口转换模块是按键消抖检测模块；

b) PHY对应的接口转换模块是MAC IP核模块。

添加后框图如下所示：

本项目不涉及指令系统

5.考虑外围器件是否涉及寄存器配置

本项目中MAC IP核涉及寄存器配置。使用MDY推荐模板：寄存器配置表模块+寄存器读写配置模块+外设配置接口时序转换模块；

由于MAC IP配置接口使用的是Avalon协议（与MDY接口协议不同之处在于waitrequest信号），所以外设配置接口时序转换模块对外接口也应该是Avalon，对内则是MDY规范接口。

完善后如下所示：

到第6步，根据数据流向，需要对模块间的接口进行详细分析了，补充模块或者将功能相同的模块合并化简。

从发送侧数据流向思考：

a) FPGA内部产生要发送的数据，因此需要一个数据产生模块；

b) 产生的发送数据需要先添加UDP头部，所以需要一个添加UDP协议头部模块；

c) 然后添加IP头部，需要一个添加IP协议头部模块；

d) 最后添加MAC头部，就完成了完整的发送UDP协议报文，因此需要一个添加MAC协议头部模块；

e) 同时需要定期发送ARP协议请求报文，需要一个ARP请求报文模块；

f) 由于ARP报文需要定时产生，所以需要一个计时模块。

从接收侧数据流向思考：

FPGA接收到PHY解调出的PC发送来的UDP报文或者ARP应答报文，经过MAC IP核验证FCS后，解析出正确或者错误的UDP、ARP报文：

a) 经过MAC IP核输出的报文需要进行MAC头部检查，正确则输出UDP、ARP报文，错误则做丢包处理。所以需要一个MAC头部解析模块；

b) 经过MAC头部解析模块处理后输出的是正确的IP报文，此时需要进行IP头部检查，正确则输出报文，错误则做丢包处理。所以需要一个IP头部解析模块；

c) 经过MAC头部解析模块处理后输出的是正确的ARP应答报文，此时需要进行ARP报文解析，获取发送端MAC地址。所以需要一个ARP应答解析模块；

d) 同1、2两步原理，输出UDP报文需要进行UDP头部检查，所以需要一个UDP头部解析模块。

经过UDP头部解析模块解析出来的报文数据即是PC端发来的正确用户数据，输出即可。

补充后如下图所示：

接下来将功能互斥、数据流向相关，接口一致的模块做合并化简处理，如下图所示：

本项目数据流方面涉及多路进一路出的问题。

在进行模块优化时，注意到产生的用户数据和定时ARP请求报文不能同时输出给MAC IP核，需要一个发送调度模块来完成多路输入一路输出的调度，是发送打包模块送来的UDP报文还是发送ARP请求报文。

8.考虑是否涉及到速率匹配问题，要加上RDY信号或者FIFO

首先考虑与外围器件通信的接口上是否需要rdy信号。

外围PHY芯片与FPGA通信是经过MAC IP核来处理，时序MAC IP核已经做好了，所以不需要设rdy信号。

再考虑FPGA内部模块间运行速率不匹配的情况，根据数据流方向来考虑：

发送侧：

a) 发送报文打包模块需要时间（计算各个协议头部校验和，长度等信息），所以需要在数据产生模块和数据打包模块间设FIFO并设rdy信号。

b) 数据打包模块和ARP请求报文发送模块同时发送给报文调度模块，发送包文调度模块不能同时响应，需要FIFO来缓存，考虑到突发情况FIFO会溢出，所以需要与数据打包模块和ARP请求报文定时发送模块间设FIFO并设RDY信号。

接收侧：

接收侧模块间速率匹配，不需要设FIFO和RDY信号。

最终得到的模块图如下所示：

到此，根据模块划分步骤一步步做下来，千兆网工程的模块划分雏形初步已经完成。具体实践中需要根据FPGA内部信号的调整，随时拆分或独立来增减功能模块。

今天分享的案例是千兆以太网工程。该工程是明德扬的网络班、就业班的其中一个项目，涉及到MAC协议、ARP协议、IP协议和UDP协议的实现，协议较多，划分的模块也较多。

审核编辑：汤梓红