基于FPGA的千兆以太网控制器驱动程序的设计 (毕业设计73页、25111字 +图+程序)
 
摘要：本论文课题来源于西南科技大学与九洲应用电子系统有限责任公司的合作项目“LED大屏显示系统”。为了更好地解决电脑主机与显示终端因远距高速的数据传输所带来的问题，结合千兆以太网的传输优势，确定了本课题的设计思路和方法。设计采用亚信公司NON-PCI接口的AX88180以太网控制器芯片和Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，使用VHDL语言对FPGA器件进行编程，控制MAC芯片及外围芯片之间快速、正确地数据传输。设计分为发送和接收两大模块，采用了半双工的收发模式。发送和接收部分均采用相同的芯片，用VHDL语言对发送和接收模块分别进行编程控制，完成驱动程序的设计。设计包括：对MAC芯片各寄存器的初始化；对FPGA与MAC之间的时钟、地址、数据等信号的控制等。经过在QuartusII环境下编译、仿真和调试后，实现了对MAC芯片、FPGA芯片以及其它处围电路的控制。

关键词：千兆以太网；FPGA；VHDL；MAC芯片；驱动程序
 

The Design of Driver for Gigabit Ethernet Controller Based on FPGA

Abstract: This dissertation is a part of the project, "LED Screen Display System”, which cooperated with JIUZHOU Applied Electronic System CO., LTD. In order to solve the problem of high-speed video data transmission caused by long-distance between PC and display terminals, and considering the advantages of Gigabit Ethernet, the follow design scenario was established. Non-PCI Ethernet controller chip AX88180 made by ASIX Electronic Corporation and Altera Cyclone FPGA family chip EP1C6Q240C8 were adopted, and VHDL (VHSIC Hardware Description Language) was used in  FPGA device programming, for controlling MAC chip and data transmission between the external components fast and correctly. This design included two module, sending block and receiving block,  in addition, the whole system operate at half-duplex mode. Sending and receiving block both complete the design of MAC driver in VHDL, included: initialize the MAC register, such as CMD, IMR, ISR etc.; control the clock between the chip of FPGA and MAC for normal read and write data; activate address and data bus. Through build, simulation and debug in QuartusII proofed that MAC driver has been accomplished.

Key words: Gigabit Ethernet, FPGA, VHDL, MAC, Driver
 
目  录

第1章  绪论 1
1.1  选题背景及依据 1
1.2  国内外研究现状 1
1.3  选题目的及意义 2
第2章  千兆以太网和FPGA概述 3
2.1  千兆以太网 3
2.1.1  千兆以太网标准 3
2.1.2  千兆以太网MAC层技术 4
2.2  ALTERA FPGA概述 5
2.2.1  FPGA的基本结构 5
2.2.2  FPGA的设计流程 6
2.3  QUARTUS II 简介及应用 9
2.3.1  QuartusⅡ的特点及支持器件 9
2.3.2  QuartusⅡ的工具及功能简介 10
第3章  方案设计及芯片选型 13
3.1  方案设计 13
3.2  FPGA和MAC芯片选型 15
3.2.1  FPGA芯片的选型 15
3.2.2  MAC芯片的选型 16
3.3  ALTERA公司EP1C6Q240C8芯片 16
3.3.1  Cyclone 系列器件概述 16
3.3.2  EP1C6Q240C8芯片 17
3.4  ASIX公司AX88180芯片 18
3.4.1  AX88180功能概述 18
3.4.2  AX88180主要引脚功能及分布 18
3.4.3  AX88180内部结构 20
3.4.4  AX88180时序特性 20
第4章  驱动程序设计 25
4.1  程序设计思路 25
4.2  系统发送模块设计 25
4.2.1  发送模块功能 25
4.2.2  程序流程图 26
4.2.3  发送模块状态机 27
4.2.4  发送模块图及工作原理 28
4.2.5  程序的实现 28
4.3  系统接收模块设计 31
4.3.1  接收模块功能 31
4.3.2  程序流程图 31
4.3.3  接收模块状态机 33
4.3.4  接收模块图及工作原理 33
4.3.5  程序的实现 34
第5章  仿真与结果分析 36
5.1  仿真概述 36
5.2  时序仿真结果与分析 36
5.2.1  发送模块时序仿真 36
5.2.2  接收模块时序仿真 38
5.3  功能仿真结果与分析 41
5.3.1  发送模块功能仿真 41
5.3.2  接收模块功能仿真 43
5.4  仿真结论 44
结论 45
致谢 46
参考文献 47
附录 48
附录1：发送模块VHDL程序 48
附录2：接收模块VHDL程序 59

 
 
第1章  绪  论
1.1  选题背景及依据
在计算机网络发展历程中，以太网可以说是众多网络技术中最具影响力的一种。以太网不但随着通信和计算机技术不断发展，而且还对新的网络技术产生着非常重要的影响。无论是在 Intranet 还是在接入网，以太网都是应用场合最多、应用范围最广的网络技术。
近年来，随着以太网技术的进一步发展，从最初的10Mbps，到现在100Mbps成为最基本的组网形式，然而在科学技术快速发展的今天，越来越多的人们已经把目光投向了应用前景非常广阔的千兆以太网。我们注意到：无论在公共场合，还是在家庭生活当中，越来越多的产品已经应用了千兆以太网技术，并且得到了一致的好评，这标志着千兆以太网已经成熟并且得到了广泛应用。
与此同时，千兆以太网的核心部件——千兆以太网控制器也得到了快速发展和应用，它的种类层出不穷，功能也越来越多。在广泛的应用中，不仅有基于单片机控制系统的、有基于ARM控制系统的、还有基于FPGA控制系统的等等，种类繁多。基于FPGA控制系统的千兆以太网控制器，不但能实现高速的数据传输，而且还能最大层度节约计算机的处理器资源，在多任务处理计算机应用系统中，它的应用得到了广泛了支持和发展。
为了改善在研的“某LED大屏显示系统”传输方案（利用FPGA控制数据通过铜轴电缆传输）中存在的可靠性差、成本过高的不足，在新的设计中采用了增加MAC控制器、以双绞线替代铜轴电缆传输的方案，来实现计算机与LED显示终端之间准确的、高速的、低成本的数据传输。根据新方案，确定了本设计课题：“基于FPGA的千兆以太网控制器驱动程序的设计”。
1.2  国内外研究现状
随着信息化时代的到来，数据传输系统传输的数据率呈几何级数增长，但是带宽有限的传输系统限制了数据率的快速增长，而且这种限制作用随着数据率的增加而变得越来越严重。为了解决这之间的突出问题，许多国内外的专家和学者纷纷踏足该领域，进行开发和研究。
802.3协议是针对以太网CDMA/CD标准的传输介质物理层(PHY)和介质访问协议(MAC)单独定义的，并且随着技术的发展，将采用新的传输介质、实现更高的传输速率，同时IEEE 802.3标准也在不断地补充和完善。在IEEE 802.3模型中，在MAC层内可选MAC控制子层。在实际网络中，对以太网的控制功能要求越来越多，如接口速率的设定、流量控制等，因此需要设置这个子层来处理这些控制功能。
以太网组网简单方便、性能高，使得他得到广泛的应用，国内外不仅有对PCI-E接口总线与以太网接入的研究、WAN与LAN（以太网）接入的研究，还有嵌入式系统与以太网的接入的研究，为实现新一代网络的高速传输、以及嵌入式系统网络的设计提供必要的基础，具有重要的现实意义和经济价值。
二十一世纪是一个崭新的信息时代，是数字和网络的结合。以太网的发展，将为人们的生活带来新的变化和变革，使它成为了人们生活中不可缺少的一部分。随着生产、生活水平的不断不展和提高、生活节奏的不断加快，日常交际的越来越频繁，人们对以太网的发展提出了更高的目标，不仅要求数据的高度安全性，还要求数据传输的极高速度性，以满足人们生活的不断需要。千兆以太网的发展不仅是人们普遍关心的话题，也是国内外商家、组织和个人追逐和关心的焦点，因此，千兆以太网的广泛应用就成为了大多数人的迫切需求和需要。
1.3  选题目的及意义
FPGA是目前发展迅速和比较成熟的大规模可编程逻辑器件，也是在电子设计自动化领域用于研究和开发的常用器件之一，经过几十年的发展，它已有了更多的逻辑单元、更高的性能、更低的成本和功耗。它以高度灵活的用户现场编程方式，现场定义高容量数字单片系统的能力，能够重复定义，反复改写的新颖功能，为复杂数字系统设计、研制以及产品开发提供了有效的技术手段。基于FPGA编程的设计产品，不但开发周期短、而且可靠性和灵活性也非常高。
基于FPGA的千兆以太网控制器的驱动程序的设计，不但可以充分利用FPGA的逻辑功能，实现快速的数据处理，还能对千兆以太网控制器进行控制，实现视频数据快速的发送和接收，从而与LED大屏显示系统相结合；同时，还能满足用户对多媒体等大容量数据传输的准确性、快速性的要求，加速人们踏入全新的数字网络时代的前进步伐，促进社会经济更好、更快的发展。