以太網MAC層(Media Access Control Layer,媒體接入控制層)是計算機網絡中數據鏈路層(Data Link Layer)的一個子層,它定義了設備如何訪問和控制共享的物理介質(如以太網電纜)。
以太網MAC層在網絡通信中具有極其重要的作用和價值,它實現了物理介質的高效共享,設備級的尋址能力,確保了數據的可靠傳輸,通過錯誤檢測與糾正機制提高了網絡的穩定性,同時支持多種網絡拓撲和設備,是網絡通信的堅實的基礎。
智多晶EthMAC IP
EthMAC是西安智多晶微電子有限公司在2024年基于IEEE802.3-2008 協議clause 3章節開發的通信IP。
IP的用戶接口為AXI-Stream,APB3和中斷信號,其中AXI-Stream接口用于以太網數據包的收發,APB3和中斷接口用于寄存器配置,狀態讀取等操作。EthMAC的網絡側采用GMII接口,可以直連GMII接口,也可通過PHY接口適配模塊轉換為目標接口(例如RGMII),從而適配不同的網絡phy芯片。
EthMAC IP特性
1 STREAM和CONTROLLER兩種工作模式
2支持正常模式和環回模式(用于測試)
3支持Inband FCS模式
4支持Jumbo幀
5支持VLAN幀
6支持接收幀過濾
7支持流控
8支持精準流控
9支持地址過濾調試模式
10 支持收發幀類別和錯誤統計
幀類別和錯誤統計
EthMAC IP中實現了細致的幀信息統計和錯誤統計,完全用硬件實現監控與統計,供寄存器讀取,可用于網絡鏈路狀態評估與分析。
幀類別統計包括:
所有成功幀的收發統計(以長度分段),廣播幀的收發統計,多播幀的收發統計,控制幀的收發統計,暫停幀的收發統計,VLAN幀的收發統計。
錯誤統計包括:
接收FCS錯誤統計,Length/Type超范圍錯誤統計,不支持的opcode幀錯誤統計,rxbuf overflow錯誤統計,發送underrun幀錯誤統計。
流控和精準流控
EthMAC支持流控功能。開啟流控支持后,RX端可識別流控幀,TX端在RX收到流控幀后,自動暫停的發送,避免對端設備因無法及時處理消息包導致緩存爆掉的情況。
精準流控是在流控基礎上實現的高級功能。啟用精準流控后,會記錄發送流控幀設備的源地址,TX端只對目標地址與記錄的流控源地址匹配的網絡包暫停發送,不影響發向其它目標地址的網絡包。
接收幀目的地址過濾
和地址過濾調試模式
接收幀目的地址過濾功能相當于白名單。在寄存器中配置,可實現多組MAC源地址以及對應的bit mask。從而實現規則復雜的白名單過濾功能,可用于設備節點在網絡中對僅來自期望節點設備消息的響應,簡化節點設備的設計難度。
地址過濾調試模式功能對MAC調試場景非常有用,相當于黑名單。由于操作系統會主動向網絡發出基于PC MAC源地址的小數據包,在PC上使用Wireshark等軟件對IP進行調測時,待測網絡節點會收到來自操作系統自動發送的“干擾”網絡包。啟用調試模式后,EthMAC會自動濾除源地址值與配置值(PC網卡MAC地址)相同的數據包,從而排除來自操作系統的不可控干擾,只接收來自Wireshark的網絡包。啟用調試模式后,EthMAC會自動濾除源地址值與配置值相同的數據包。
EthMAC IP配置與使用
打開IP
第一步,使用HqFpga v3版本軟件,創建或打開一個工程。
第二步,在已打開的工程中,點擊“IP管理”圖標。
第三步,在IP管理器“IP Creator”--通訊與網絡類下找到EthMAC IP,雙擊打開EthMAC IP配置界面。
配置IP
EthMAC IP的配置界面非常清晰。分為“功能配置”,“目的地址過濾配置”,“調試選項”三大塊。
功能配置部分用于配置VLAN幀,JUMBO幀,流控功能的功能使能。
目的地址過濾器配置部分用于配置4個地址過濾器是否啟用。
調試選項配置用于開關調試模式以及輸入調試模式下的黑名單MAC源地址。
以上功能配置都會影響IP占用的FPGA邏輯資源,關閉功能的時候相關的邏輯資源可以節省。這些功能的開關配置并不影響用戶接口,只影響邏輯功能和資源,建議用戶配置的時候按需開啟。
EthMAC應用子系統
EthMAC系統連接
如上圖,這是一個非常典型的使用EthMAC 子系統框圖。MCU/CONTROLLER主要用于EthMAC的寄存器配置,可以使用智多晶提供的CM3/STAR/Tiny-SoC IP。以太網用戶數據包即可走用戶邏輯,也可以走MCU/CONTROLLER,取決于業務的應用需求和實現方案。
APB3總線掛載
需注意,EthMAC IP的APB3接口地址位寬只有10bit,是去掉了設備基地址部分的純寄存器偏移地址部分。因此在掛載APB總線的時候需要增加一個基地址解碼邏輯,接到APB3接口的s_apb_sel信號上。
以這種方式,用戶可以非常靈活的自定義設備基地址,以及在總線上同時掛載多個APB設備,見下圖。
典型應用場景
1)網絡設備(網卡,交換機,路由器)。
2)通過CPU和軟件協議棧為SoC實現TCP/IP網絡通訊。
3)通過用戶邏輯實現UDP網絡通訊(網絡相機、工業相機、LED顯控,網絡數據采集卡)。
4)通過MCU和用戶邏輯實現TCP/IP和UDP的混合通訊(網絡相機、工業相機、LED顯控,網絡數據采集卡)。適用于網絡中即有控制主機(TCP/IP)又有點對點流數據(UDP)的場景。
5)基于MAC層之上的用戶自定義協議設備通訊(醫療設備,汽車電子)。
設計資源
EthMAC IP用戶文檔已隨IP發布,可通過以下2個方式獲得。
1)在EthMAC IP界面左下角,點擊“用戶指南”可以直接打開EthMAC IP的用戶指南(UserGuide)pdf文件。
2)通過UG00031_EthMAC_IP用戶指南直接在智多晶官網下載EthMAC IP的用戶指南(UserGuide)pdf文件。
其它相關設計資源后期會陸續通過官網發布,歡迎關注。有任何疑問請通過智多晶公眾號或FAE與我們聯系。
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原文標題:“芯”技術分享 | 智多晶EthMAC IP介紹
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