基于 7 系列 FPGA 实现万兆以太网通信

理解以太网帧如何对接 XGMII 接口，可以参考以下过程。以太网帧结构如下：

在 XGMII 接口中，一帧报文的封装发送流程为：添加控制符，空闲 IDLE（0x07）+ START（0xFB）+ 前导码 + SFD + MAC + ...... + FCS + TERMINATE（0xFD）。例如 ILA 截图所示：

控制对应的控制符为 1，后续在 64B/66B 编码中转换为 2bit 同步位（Sync）。

在增加起始、结束、空闲控制符后，按下图的转换规则：比如起始 S 转换为 64bit 中 MSB 字节为 0x78；空闲状态为 64bit 中 MSB 字节为 0x1E。

最后，将上述 64bit 的接口数据经加扰，送到 10G PCS/PMA 核的 XGMII 接口。用户接收到 XGMII 接口数据，按上述逆过程解析网络帧。

1.1.2、MDIO 接口（可选用）

本部分仅在特定场景下使用，具体寄存器描述见 PG068 的 Configuration Vector 描述。MDIO 接口是该核的寄存器配置接口，类似于千兆网 PHY 的寄存器配置。其相关时序配置如下：

1.1.3、10G PCS/PMA 核

该核需要 License，核页面如下：该核只适用于 7 系列 FPGA。

上述核配置页面不启用 MDIO 接口。关于该核的时钟、复位部分的使用可参考其 example。

1.1.4、万兆网开发

借助例化上述 GT 核后，可按图 1 开发编码实现 PCS 相关功能。对于发送帧功能，用户端的帧数据需封装起始、结束、空闲码后，经加扰并结合同步字段，通过变速箱 Gearbox 及并串转换等处理，最终经电路传送出去；接收则是上述过程的逆操作。

开发过程主要涉及：帧数据的封装与解封、同步字段的增添与解析、加解扰。其中帧数据的封装与解析按照以太网协议进行即可。具体网络协议，用户根据具体需要封装、解析即可，比如 UDP、TCP、FTP 等；这里只讨论万兆网通信方式，不介绍具体协议细节。

1.2、10G Ethernet Subsystem 核实现万兆网

该核的用户数据接口为 AXIS，这里不再赘述。此方式是实现万兆网通信最快捷的方法，需要 License。开发按照以太网协议对网络帧进行解析与封装即可，只需关注如下结构：

其核配置界面如下：

根据开发板选择 10GBASE-R 类型，64bit 的 AXIS 数据接口。

AXI-Lite 配置接口时钟范围选择，此处没有启用流控。

这页主要是 DRP 及状态接口。

这页未启用时间戳。

这页选择时钟及复位是集成核内外。多通道的万兆网通信使用核方式与 UltraScale/+ 系列不同。关于时钟及复位的使用，可参考其 example。

二、万兆网功能测试

本文针对 UDP 协议栈测试，UDP 相关协议可参考通用 FPGA 千兆网 UDP 协议实现文档。千兆、万兆、40G/50G、100G 以太网的 UDP 协议栈实现原理相同，只是用户数据位宽、CRC 检验的实现难易不同。

2.1、工程实现

上述两种方式使用相应的核都可以实现万兆网通信，本文采用 UDP 协议栈测试工程部分功能。这里不详细介绍 UDP 协议栈（ARP 缓存、ping、UDP），例如向对端发包前，先查询 ARP 列表，查询无果则 ARP 寻址后再发包；对于一些明确的场景，也可以省略 ARP 寻址。

比如 10G 万兆网核的工程：

两端的信息配置：

2.2、ARP 及 Ping 功能

通过 ping 下位机测试 ARP 及 Ping 应答功能：

2.3、巨型帧

不同的网卡、路由器等支持的最大 MTU 不同，但都支持 46~1500 字节。为了实现长数据包的传输，产生了巨型帧。

对于多级路由的网络包传输，为了避免中间路由节点的设备丢弃，采用巨帧分片处理：巨帧拆分成多包，利用 IP 层的头部分片及偏移字段（第 2 个 DW 中）区分数据的完整性和顺序。分片的首包保持帧结构的完整字段，MTU 最大 1500 字节；其他分片包在网络帧结构中去除了 UDP 的头部字段。

对于点到点直连的应用场景，或者中间路由节点都支持 MTU 大值（比如 9000 字节），则利用巨帧时可采用标准的巨帧分片策略，也可采用不分片的策略。

FPGA 向上位机发送长度为 8500 字节的 UDP 巨型帧的测试如下：分片为 5 包 1480 字节和最后一包 1100 字节。

协议栈仿真：测试模块产生 8500 字节的测试数据，协议栈进行巨帧分片，环回后接收端能正确解析数据。

10G 以太网核上板测试：测试模块产生 8500 字节的测试数据

上位机 Wireshark 观测上发的矩阵数据，分片以及偏移量正常：

从第 2 个分片开始，不再有 UDP 头部字段。

10G PCS/PMA 核的测试：

2.4、测速

两个工程向上位机发包，当接口空闲时一直上发，测速结果近 9.5 Gbps：