【正文】 相位的調(diào)整。其中rxd_to_mac[7:0]、rx_dv_to_mac、rx_er_to_mac分別是時鐘rxgmiimiiclk同步后的數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)有位、數(shù)據(jù)錯誤標志位，輸出給IP核，IP接收使能信號rx_enable保持高電平有效。PHY接口的發(fā)送時鐘txgmiimiiclk采用了gtx_clk（即主時鐘 sclk）的反向時鐘，保證了發(fā)送的保持時間和建立時間為3~4ns，足以滿足88E1111的要求，同時IP發(fā)送使能信號tx_enable輸出高電平。圖431000M模式下phy接口模塊功能仿真波形圖MAC核心處理模塊采用Xilinx的專用MAC IP核，在ISE中新建IP類型源文件，選擇Tri Mode Ethernet MAC IP核，會彈出如圖44所示的IP核參數(shù)設(shè)置界面，為了滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標要求，通過對IP核使用手冊的參考，如圖44所示對IP核的參數(shù)進行如下的設(shè)置：（1）根據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)變換電路設(shè)計分析，如圖44所示，PHY接口選用GMII接口模式；（2）本系統(tǒng)支持對10/100/1000Mbps網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，MAC Speed選10/100/1000Mbps；（3）一般為了減少IP緩存資源的消耗，引入時鐘使能信號，如圖44所示勾選Client Interface下的復(fù)選框Clock Enables；（4）技術(shù)指標要求支持半雙工/全雙工兩種工作模式，選擇MAC Duplex Selection下的Half Duplex復(fù)選框；（5）為了該系統(tǒng)能實現(xiàn)MAC濾波功能，如圖44所示勾選復(fù)選框Address Filter，并設(shè)置Number of Address Table Enters為1，表示只設(shè)置一個MAC濾波地址，當然也可以根據(jù)實際需要設(shè)置多個，具體的地址數(shù)值可通過用戶配置模塊進行配置；（6）用戶可以通過IP核MAC濾波控制、速度、接收、發(fā)送等寄存器的配置控制其系統(tǒng)的處理模式，如圖44所示，寄存器的配置有Host和Configuration Vector兩種方式，Host是最常用的配置方式。圖44 IP參數(shù)設(shè)計為了更好的完成功能的板級測試，結(jié)合FPGA的程序配置特點，本文利用Xlinx FPGA仿真器通過JTAG口對系統(tǒng)進行測試，其硬件測試平臺的實物圖如圖45所示。除此之外，還需準備一臺電腦、1000M和100M的普通網(wǎng)線，測試時利用不同的網(wǎng)線連接電腦和設(shè)備，以搭建不同的以太網(wǎng)測試環(huán)境，電腦作為設(shè)備的數(shù)據(jù)源服務(wù)器。圖45硬件測試平臺實物圖在硬件平臺準備好后，系統(tǒng)的測試還需要借助一些Windows平臺軟件工具，主要包括串口調(diào)試助手、VLC播放器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器 WireShark、ChipScope Pro工具、iMPACT工具。（1）串口調(diào)試助手設(shè)備可以采用異步串口實現(xiàn)CPU的控制，在調(diào)試階段可以借助串口調(diào)試助手對本系統(tǒng)的工作模式進行配置，完成系統(tǒng)工作在各種模式下的測試。（2）VLC播放器VLC是一種功能強大的媒體播放器，支持各種音視頻格式和各種串流協(xié)定，如mpmpegmpegflv、AVI等。最重要的是VLC可以提供單播或多播的串流服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸相應(yīng)的音視頻流。在系統(tǒng)的測試中，VLC可以通過設(shè)置，實現(xiàn)向特定的IP地址傳輸音視頻的TS流，為IPQAM提供源節(jié)目流，其播放的音視頻文件可以通過錄制衛(wèi)星電視節(jié)目或文件轉(zhuǎn)換得到。在本系統(tǒng)測試中，若要向該IP地址的提供源節(jié)目流，需要進行如下的設(shè)置：首先選擇VLC媒體菜單中的“流”，然后設(shè)置目的IP地址和本地UDP端口以及流的方式，如圖46所示，流采MPEG2 TS的方式，最后單擊“串流”。圖46 VLC流輸出設(shè)置界面（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器WireShark是一款開源的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀分析軟件，可以抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封包，提供每個數(shù)據(jù)幀的詳細信息，如MAC地址、數(shù)據(jù)幀類型、IP地址、UDP端口、等重要信息，方便開發(fā)者對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議的分析與相關(guān)測試。（4）ChipScope Pro工具ChipScope Pro工具是Xilinx公司提供的一款測試開發(fā)工具，集成了關(guān)鍵邏輯分析儀和其他的測試以及硬件測量部件，支持大部分的Xilinx的FPGA器件[24]。ChipScope Pro可以將ICON、LAN、VIO等ChipScope Pro核嵌入在設(shè)計中，然后通過ISE的實現(xiàn)工具對設(shè)計進行布局布線，生成bit流文件下載到器件中，完成對設(shè)計的測試和分析。（5）iMPACT工具iMPACT工具是一款集成于ISE套件中的FPGA程序配置和下載的專業(yè)開發(fā)工具，支持JTAG、PROM、ACE等多種配置方式[25]。在本系統(tǒng)的測試中，需要通過JTAG在線調(diào)試FPGA程序。此時，在iMPACT工具中，將配置模式設(shè)置為Configure devices using BoundaryScan(JTAG)，通過 JTAG 口將工程生成的bit流文件下載到FPGA中去。在測試初始階段，先為其加載系統(tǒng)，并利用串口助手完成對88E1111的初始化，以及設(shè)備IP地址和MAC地址的設(shè)置（CPU通過I2C總線配置FPGA的I2C寄存器，寄存器的具體定義可參考附錄，），然后如圖45所示通過1000M的雙絞網(wǎng)線連接電腦和IPQAM設(shè)備，同時利用仿真器通過JTAG將生成的bit程序流下載到器件中。當網(wǎng)絡(luò)的自動協(xié)商成功后，運行WireShark軟件和Chipscope Analyzer工具，在Chipscope ，設(shè)置觸發(fā)條件為gmii_rx_dv上升沿。單擊ChipscopeAnalyzer的Run，同時打開VLC軟件，并按上節(jié)所述完成設(shè)置，此時WireShark抓包結(jié)果如圖47所示，同時ChipscopeAnalyzer抓取的ARP請求數(shù)據(jù)幀輸入時序如圖48所示， ，其結(jié)果與VLC設(shè)置的一致。如圖48所示，在主機ARP請求發(fā)出一段時間后，主機收到了設(shè)備發(fā)出的ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中填充了設(shè)備的MAC地址AABBCCDDEE00。在此之后主機開始向設(shè)備發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)流，ARP協(xié)商正常。圖47 WireSharkARP 應(yīng)答數(shù)據(jù)幀（1000M）圖48 ChipscopeARP請求數(shù)據(jù)幀輸入時序圖（1000M）在Chipscope Analyzer中重新單擊Run，抓取的音視頻數(shù)據(jù)幀的輸入和系統(tǒng)處理后輸出的具體時序分別如圖49和圖410所示，輸出的數(shù)據(jù)是從輸入提取的IP/UDP包，系統(tǒng)對接收數(shù)據(jù)源處理正常。圖49 Chipscope 音視頻數(shù)據(jù)幀輸入時序圖（1000M）圖410Chipscope 音視頻數(shù)據(jù)幀輸出時序圖（1000M）為了完成系統(tǒng)地址濾波功能的測試，通過串口助手配置本系統(tǒng)I2C寄存器0x00、0x00x00x04，其值分別為0x8000、0xbbaa、0xddcc、0x02ee，即使能地址濾波功能，單播濾波地址為AABBCCDDEE02，Chipscope抓取的輸入輸出時序圖如圖411所示，輸出過濾了目的地址為AABBCCDDEE00數(shù)據(jù)源，系統(tǒng)地址濾波工作正常。圖411 Chipscope地址濾波輸入輸出時序圖（1000M） 第五章 結(jié)論與展望 49第五章 結(jié)論與展望在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，以對以太網(wǎng)MAC層相關(guān)協(xié)議的研究為起點，完成了硬件開發(fā)設(shè)計，同時采用ISE和ModelSim SE分別實現(xiàn)了對FPGA代碼的編程和系統(tǒng)主要功能的功能仿真，如MAC數(shù)據(jù)幀的長度校驗、CRC校驗、地址濾波、IP數(shù)據(jù)包的提取、ARP協(xié)商等，并結(jié)合硬件電路設(shè)計在FPGA工程中加入時序約束，對FPGA實現(xiàn)和布線進行分析與設(shè)計，最終在設(shè)備中得到應(yīng)用與測試，完成了以太網(wǎng)MAC層數(shù)據(jù)的處理和ARP自動協(xié)商，其結(jié)果基本達到預(yù)期的目標。本系統(tǒng)與其他方案相比，有如下優(yōu)勢：（1）采用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的ASIC設(shè)計和專業(yè)芯片，具有高度的可重構(gòu)性和靈活性；（2）支持1000M以太網(wǎng)的MAC數(shù)據(jù)處理，具有較強的可移植性和應(yīng)用性；（3）支持半雙工工作模式，可用于某些特殊應(yīng)用；（4）采用I2C配置方式，協(xié)議簡單通用，便于應(yīng)用于大型系統(tǒng)開發(fā)。限于本人的理論水平和開發(fā)經(jīng)驗，本系統(tǒng)設(shè)計中還存在一些缺點：（1）本系統(tǒng)MAC處理器的工作模式，如1000/100/10M網(wǎng)絡(luò)模式和半雙工/全雙工工作模式等，配置比較繁瑣，先需要CPU從88E1111寄存器中獲取模式信息，再通過I2C總線配置本系統(tǒng)的寄存器，從而降低了系統(tǒng)的工作效率。參考88E1111芯片的用戶手冊，模式信息可以通過對88E1111的LEDLED100、LED1000和LED_DUPLEX引腳的檢測來獲取，設(shè)計中應(yīng)將這些引腳引入FPGA，F(xiàn)PGA通過編程即可實現(xiàn)工作模式的檢測。（2）由于時間限制，MAC核心處理模塊直接調(diào)用了專業(yè)的IP軟核，IP核的使用增加了設(shè)計成本，同時也降低了FPGA設(shè)計的靈活性，不能根據(jù)不同的應(yīng)用場合隨意的增減處理功能模塊。最佳的解決辦法是自己完成IP核設(shè)計和開發(fā)，這需要對MAC層協(xié)議方式的深入了解和詳細的FPGA軟件設(shè)計，是本文之后的下一步主要工作之一。為了增強系統(tǒng)的可移植性，下一步工作除了IP核的設(shè)計和開發(fā)外，還有以太網(wǎng)的流量控制，數(shù)據(jù)幀其他信息的提取和分析工作，如IP/TCP信息、UDP包頭信息等等，設(shè)計時需充分考慮FPGA資源問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)網(wǎng)速也在不斷的提升，對10G MAC數(shù)據(jù)幀的研究和實現(xiàn)顯得越來越重要，在數(shù)據(jù)吞吐量/算法和靈活性上占據(jù)優(yōu)勢的FPGA仍是最佳實現(xiàn)平臺，相信該方案將在視頻監(jiān)控、通信設(shè)備、智能家庭等領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。同時，也可以考慮將PHY的層處理也讓FPGA來完成。 致謝 51致謝轉(zhuǎn)眼之間迎來了畢業(yè)之年，回顧本科生四年中受到了許許多多的老師和朋友的關(guān)心和照顧，在此我要對他們表示衷心的感謝。首先懷著崇高的敬意深深感謝辛勤培育我的何國經(jīng)教授和林先萌學長，感謝他們一直以來的悉心教導和關(guān)懷，為我提供了良好的學習和實踐機會。在此期間，他們勤奮嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和樂觀的人生態(tài)度深深的感染著我，將使我終生受益。對于我的畢業(yè)論文，他們一直保持高度關(guān)注和悉心的指導，嚴格要求每個細節(jié)，使我順利地完成了論文的撰寫。衷心地感謝各位專家教授在百忙之中審閱我的論文和參加論文答辯。感謝我的同學、室友們，在學習生活上給予我的關(guān)心和支持，讓我度過了一段美好的時光。最后我要感謝我的父母，您們?yōu)槲姨峁┝肆己玫纳顥l件，給予了我精神上的支持和鼓勵，使我能夠?qū)Ｐ挠趯W習，愿您們身體健康，幸福快樂！ 參考文獻 53參考文獻[1][J].科技浪潮,2008,02:3031.[2][D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2004.[3][J].復(fù)旦學報（自然科學版）,2004,02:5053.[4],[J].集成電路設(shè)計與開發(fā),2007,08:692696.[5]Xilinx IP TriMode Ethernet MAC User Guide [201004][EB/OL]..[6]（MAC）的研究[D].西安:西北工業(yè)大學,2004.[7][D].南京:南京理工大學,2010.[8]Alberto LeonGarcia,——基本概率與主體結(jié)構(gòu)（第二版）[M].北京:清華大學出版社,2005.[9][D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.[10][D].成都:電子科技大學,2010.[11]IEEE802 LAN/MAN 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