一、FPGA 实现万兆以太网
本文介绍使用 10G 以太网核和 10G PCS/PMA 核两种方式实现的万兆网通信。基于 SerDes 实现 10G 以太网通信采用 64B/66B 编码方式，串行线速率为 10.3125Gbps。
1.1 10G PCS/PMA 核
关于该核的使用，参考 PG068；此核的用户接口为 XGMII。对于光纤或者 RJ45 水晶头的接口（10GBASE-R 类型），内部功能结构包含 PCS 和 PMA 模块。
万兆网通信采用 64B/66B 编码。64B/66B 编码在发送前需要对数据加扰，在接收数据时也要先对数据解扰。64B/66B 编码：在加扰后的 64bit 数据前加入 2bit 的同步位（Sync）组成 66bit 数据，同步位表示该 64bit 数据是数据帧还是控制帧。
1.1.1 以太网 XGMII 接口
这里讨论 64bit 数据位宽的 XGMII 接口。xgmii_txd 对应字节为控制字符时，xgmii_txc 对应的控制位为高电平；在 xgmii_txd 对应字节为数据字符时，xgmii_txc 对应的控制位为低电平。
相关时序中，空闲状态为 0x07、起始状态为 0xFB、终止状态为 0xFD。
以太网帧对接 XGMII 接口的过程如下：
- 以太网帧结构包含前导码、SFD、MAC 地址、数据及 FCS。
- XGMII 接口中一帧报文的封装发送：添加控制符，空闲 IDLE（0x07）+ START（0xFB）+ 前导码 + SFD + MAC + ...... + FCS + TERMINATE（0xFD）。
- 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）。
- 增加起始、结束、空闲控制符后，按照转换规则处理，例如起始 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
本部分只有一些场景会用到，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。
1.1.3 10G PCS/PMA 核
该核需要 license，核页面显示仅适用于 7 系列 FPGA。核配置页面可选择不启用 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，可按照设计图开发编码实现 PCS 相关功能。对于发送帧功能，用户端的帧数据，封装起始、结束、空闲码后，经加扰后，结合同步字段，经变速箱 Gearbox，并串转换等，最终经电路传送出去；对于接收，是上述过程的逆操作。
开发过程主要涉及：帧数据按照上节内容封装与解封、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。
1.2 10G Ethernet Subsystem 核实现万兆网
该核的用户数据接口为 AXIS，此处不再详细介绍。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。
核配置界面选择 10GBASE-R 类型，64bit 的 AXIS 数据接口。AXI-Lite 配置接口时钟范围选择，可根据需求启用流控。DRP 及状态接口页主要用于监控。时间戳功能可选择是否启用。时钟及复位选择集成核内外。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 相关协议原理与千兆、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 ARP 及 Ping 功能
通过 ping 下位机测试 arp 及 ping 应答功能。工程实现中，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。
2.2 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。
