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请问怎样去设计一种MDIO管理接口

什么叫TEMAC核?
如何对IP核进行配置?
怎样去设计一种MDIO管理接口?

回帖(1)

龙旭

2021-8-17 17:55:27
  Xilinx为我们提供了一个叫做“Tri-Mode Ethernet MAC”的IP核,简称TEMAC核,三种模式的以太网介质访问控制层器,支持全双工半双工的千兆、百兆、十兆和2.5G的传输速率,支持MII、GMII、RGMII、SGMII和TBI接口。在PG051当中为我们进行了详细的介绍。但光看这文档效率太低,我们还是在应用种去理解吧。该模块可以是对协议的具体解析了,需要我们了解TCP/IP协议栈。
  3.1 IP核的配置
  对于该核的配置相对来说还是比较简单的,如下:
  1、data Rate
  设置最大的通讯速率,1Gb/s支持高达1Gb/s的以太网速度。支持四种类型的物理接口,即GMII,MII,RGMII和内部接口均可用。2.5 Gb / s 指的是以太网速度设置为2.5Gb/s。物理接口设置为“内部”,所有其他类型均被禁用。所有默认即可
  
  2、Interface
  物理接口:
  主要配置与MAC接口的类型,该核四种物理接口类型,均有IEEE802.3规范定义
  (1)GMII可以支持以太网以10 Mb/s,100 Mb / s和1Gb/s的速度运行;
  (2)MII可以支持以10 Mb/s和100 Mb / s的速度运行以太网;
  (3)RGMII是GMII的双倍数据速率模式,也就是双沿采样,支持以太网以10Mb/s,100Mb/s和1Gb/s的速度运行。
  (4)Internal是生成内核时,没有物理接口可用于连接到内部PHY,例如以太网1G / 2.5G PCS / PMA或SGMII LogiCORE。物理接口的选择决定了随核心提供的示例设计的内容,其中HDL中描述了外部GMII,MII或RGMII。RGMII,GMII或内部之间的核心HDL不变。如果选择了MII,则物理接口数据路径将减少为4位。默认为使用GMII。当我们选择2.5G时就是这种模式。
  MAC Speed
  TEMAC解决方案可支持2.5Gb/s和1Gb/s速度运行,10Mb/s和100Mb/s速度运行以及全三速运行(10Mb/s,100Mb/s和1Gb/s速度能力)。可用于速度支持选择的选择取决于所选的物理接口:
  当MAC数据速率设置为2.5 Gb / s时,仅内部模式可用。
  如果MAC数据速率设置为1 Gb / s,并且选择了GMII,RGMII或Internal,则可以选择三速操作和1 Gb / s操作。
  若MAC数据速率设置为1Gb/s并且选择了MII,则仅10Mb/s和100Mb/s的操作可用。
  Management Type(管理类型)
  选择“ AXI4-Lite”选项以包括用于TEMAC配置的可选管理接口。如果未选择此选项,则会使用替换配置向量生成核心。如果未选择AXI4-Lite管理界面,则AVB选项不可用。默认设置是选择AXI4-Lite管理接口。
  启用管理接口后,选择“管理数据输入/输出接口(MDIO)”选项以包括可选的MDIO接口。如果未选择此选项,则生成的内核不具有管理物理层中的对象所需的MDIO逻辑。
  如果启用了MDIO,请选择“为MDIO接口端口添加IO缓冲区”选项以为MDIO接口端口插入I / O缓冲区。这将创建双向I / O总线mdio,并为mdc插入输出缓冲区。如果未选择此选项,则将使用mdio_i,mdio_o和mdio_t端口生成内核。
  AXI4-Lite Frequency (AXI4-Lite频率)
  这指定了AXI4-Lite接口的频率(以MHz为单位)。它用于提供综合的默认值,并且会根据系统中的连接性进行覆盖。
  3、Shared Logic
  没啥可说的
  4、Features
  MAC选项
  TEMAC解决方案始终提供对全双工以太网的支持。但是,为了提供半双工操作,需要更多的FPGA逻辑资源。由于许多应用程序只需要全双工支持,因此半双工逻辑是可选的。
  使用半双工逻辑生成内核时,可以使用TEMAC配置选择全双工或半双工操作。默认设置是不包括半双工支持。
  AVB(Audio Video Bridging)选件
  如果希望包含可选的AVB端点前端逻辑,请选择Enable_AVB选项。
  如果数据速率设置为2.5 Gb / s,或者选择了半双工,则AVB选项被禁用。
  如果未选择AXI4-Lite管理界面,则AVB选项被禁用。
  如果选择此选项,则除了三模式以太网MAC许可证以外,还需要收费的以太网AVB端点许可证来启用内核生成。默认设置是不包括AVB端点。
  帧过滤器选项(Frame Filter Options)
  可以使用帧过滤器生成内核,从而阻止接收与此MAC不匹配的帧。这最常用于识别专门针对此MAC的数据包。默认为使用帧过滤器。
  表条目数(Number of Table Entries)
  可以使用查找表来生成帧过滤器,该查找表最多可以包含16个其他有效MAC帧匹配模式。您可以选择0到16之间的整数来定义表中存在的匹配模式的数量。默认值为使用四个表条目。
  启用优先流控制(Enable Priority Flow Control)
  选择此选项可在核心中包括Priority Flow Control支持。如果包括在内,则包括在发送时生成PFC帧并在接收时解释PFC帧的电路,以及对IEEE 802.3暂停请求的增强XON / XOFF支持。默认设置为禁用。
  统计计数器(Statistics Counters)
  可以使用内置的统计计数器生成内核。可用的计数器数量取决于内核的双工设置,全双工需要34个计数器,半双工需要41个计数器。仅当内核配置有AXI4-Lite管理接口时,才能选择此选项。默认值为包括统计信息计数器
  统计宽度(Statistics Width)
  统计信息计数器可以是32位或64位宽。这使您可以控制必须轮询计数器的频率,以避免由于溢出而导致信息丢失。默认值为使用64位宽的计数器。
  统计重置(Statistics Reset)
  当包括统计计数器时,可以包括逻辑以确保在硬件复位时将计数器清除为零。没有此逻辑,计数器值将在复位后保持不变,并且仅在设备配置时清除。默认值为包括计数器重置功能
  3.2 IP核的接口说明
  3.3 MDIO管理接口设计
  实例中的“tri_mode_ethernet_mac_0_axi_lite_sm.v”模块,该模块主要功能是对PHY的配置和对核的配置。配置方式是写寄存器,具体映射关系可看IP使用文档pg051。
  这三个状态机通过start_access、start_mdio来驱动具体的步骤。
  写有三个操作,这三个操作都是在状态机“axi_access_sm == WRITE”下执行的。
  如图所示,首先,在写的过程中中会将s_axi_bready置位高电平表示,这是个响应准备信号,这个信号表明主设备要准备接受写的数据了。与之同时将数据、地址在分别对应的有效信号下发送出去。当收到s_axi_awready脉冲信号表示写地址完成,当收到s_axi_wready信号表示写数据完成。当收到s_axi_bvalid信号表示写事务完成。这三个操作的状态会用axi_status来表示,某位=1表示该事务执行完成,当三个是事务均执行完成,则可进入下一个状态机
  
  状态机的逻辑如下图,其实,知道了其中原理,具体细节和在研究。
  这个模块有三个状态机。
  1、axi_state:
  控制该模块配置管理的整个进程,可以说是指导操作步骤,是主动工作的,这个状态机执行的首要条件是两个“从状态机”在IDLE状态,且没有启动相关进程。
  
  由下图可知“start_access”信号启动“axi_access_sm”状态机,“start_mdio”信号启动“mdio_access_sm”状态机。
  这里的设计思想是:
  “axi_state”状态机控制进程,到了一个新的进程,将“start_access”或“start_mdio”拉高,让另外两个模块执行具体的操作。由于这两个信号拉高,“if”条件不满足,跳出该状态机锁存状态。等相对应状态机执行完成后有满足了条件继续下一个进程。
  
  2、mdio_access_sm:
  “axi_state”状态机进程中有些数据是对核的配置,有些是对PHY芯片配置寄存器操作的。这个状态机主要是描述对PHY芯片操作的相关逻辑。是由“start_mdio”启动的。具体的读写数据还是由“axi_access_sm”状态机完成,本状态机主要是做发送数据的组合。状态机的执行有个限制条件,如下图,所以该状态机和“axi_state”一样,执行一个周期锁存了,等待数据或读或写完成后再根据条件来启动。
  
  3、axi_access_sm:
  该状态机是控制aix4_lite接口的读写操作,无论是对核配置还是对PHY芯片的寄存器读写,都是根据这个状态机来完成的。
  写操作时序如下图所示:
  “axi_status[2]”表示写数据操作,“axi_status[3]”表示写地址操作,均是收到从器件响应完成对应操作置一,“axi_status[4]”置一表示收到本次写数据完成标识。这2bit为1表示一次写完成。该状态机回到IDLE状态。
  
  读操作时序如下图所示:
  
  该模块的具体执行步骤:
  (STARTUP)启动状态机,配置MIDO时钟,对核操作
  输入的复位信号“s_axi_resetn”是低电平复位,在本模块首先做了取反操作。
  
  在复位结束后延时21个时钟周期启动状态机,并对配置MDIO寄存器(0x500)写入0x58对核支持的MIDO进行配置
  
  2.(UPDATE_SPEED)配置以太网速率,对核操作
  对寄存器地址“17‘h410”写入“{speed, 30’h0}”,
  3.(MDIO_RD)读MDIO,对PHY操作
  读寄存器地址1的内容,具体内容可见88E111数据手册的131页介绍。
  4、(MDIO_POLL_CHECK)对读PHY数据进行检查
  如果均是1,则认为没有管理接口,直接开始对MAC进行复位操作
  否则认为有MIDO管理接口,进行对相应配置
  我们这里认为是有管理接口的
  5、(MDIO_1G)写MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  写MDIO地址9的地址空间,具体内容可见88E111数据手册的155页介绍,是对1000M全半双工的配置。
  其中,bit9 = 1表示1000M全双工
  6、(MDIO_10_100)写MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  由于PHY芯片的MIDO管理接口的寄存器堆网口速率的配置是在不同地址,对于FPGA用一个2bit的speed即可配置三种速率(00=10Mb/s,01=100Mb/s,10 =1Gb/s)。但对于MIDO则需要写两个地址的寄存器。
  又由于事先并不知“speed”的值,或者说不对该值进行判断。故还需要对配置10M或100M的寄存器写值,当然写入的值是与写入1000M的内容是互斥的,并不会混淆。
  写MDIO的PAGE0的地址4的地址空间,具体内容可见88E111数据手册的137页介绍,是对10M、100M全半双工的配置。
  7、(MDIO_PAGE2)换页,写MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  8、(MDIO_DELAY_RD)换页,读MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  写MDIO地址15的地址空间,具体内容可见88E111数据手册的158页介绍,
  9、(MDIO_DELAY_RD)换页,读MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  10、(MDIO_DELAY_RD_POLL)
  锁存读出的数据,为下一周期的写做准备。
  11、(MDIO_DELAY)
  没看懂
  12、(MDIO_RESTART)写MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  这个模块可以选择回环模式,通过“phy_loopback”来设置,目前先不考虑
  对MIDO的地址0写数据,数据内容跳过
  13、(MDIO_STATS)读MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  读寄存器地址1的内容,用来得到自动协商完成的信号
  14、(MDIO_STATS_POLL_CHECK)读MIDO寄存器,对PHY的管理接口操作
  如果自动协商操作完成则进入下一个状态,否则等待
  
  15、(RESET_MAC_RX)对核操作
  对地址(0x404)写入32‘h90000000;//bit 28:Receiver Enable **** bit31:rest
  16、(RESET_MAC_TX)对核操作
  对地址(0x408)写入32’h90000000;//bit 28:Receiver Enable **** bit31:rest
  17、(CNFG_MDIO)对核操作
  配置管理寄存器,对地址(500)写入“68”。使能MDIO及配置其速率。
  18、(CNFG_FLOW)
  配置管理寄存器,对地址(40C)写入“0”。这是流控制配置字。
  19、(CNFG_FILTER)
  “design_on_board”是个标志位,由(4)来决定的,如果没有管理接口则为0
  这里我们设置为1,故将核心设置为混杂模式。对地址“708”写入1
  
  混杂模式:如果此位设置为1,则帧过滤器将设置为混杂模式。无论目标地址如何,所有帧都将传递到接收方客户端。
  20、(CNFG_FRM_FILTER_1)
  配置管理寄存器,对地址(701)写入“32‘h040302DA”。
  21、(CNFG_FRM_FILTER_MASK_1)
  配置管理寄存器,对地址(750)写入“32’ hFFFFFFFF“。帧过滤器掩码值
  22、(CNFG_FRM_FILTER_2)
  配置管理寄存器,对地址(714)写入“32‘ h025A0605 “。帧过滤器相关
  23、(CNFG_FRM_FILTER_MASK_2)
  配置管理寄存器,对地址(754)写入“32’ hFFFFFFFF“。帧过滤器相关
  24、(CNFG_FRM_FILTER_3)
  配置管理寄存器,对地址(758)写入“32‘h06050403“。帧过滤器相关
  25、(CNFG_FRM_FILTER_MASK_3)
  配置管理寄存器,对地址(750)写入“32’ hFFFFFFFF“。帧过滤器相关
  26、(CHECK_SPEED)
  如果收到“update_speed_reg”信号后进入“(2)UPDATE_SPEED”状态更新以太网速率。
  “serial_command”这个先不考虑,大致流程是搞懂了
  通过管理接口访问MDIO接口完全是寄存器映射。表2-37显示了MDIO寄存器列表。有关详细信息,请参阅MDIO接口。仅当使用可选MDIO接口生成内核时,这些寄存器才可用。
  
  MDIO启用:
  此位为1时,MDIO接口可用于访问连接的PHY设备。
  该位为0时,MDIO接口被禁用,MDIO信号保持无效。
  只有将Clock Divide设置为非零值时,才允许写入该位。
  5:0
  0
  R/W
  这个是配置mdc频率的,规范要求mdc频率不能大于2.5M,为了防止超出规范,Clock Divide值默认为0,也就不启用。
  例如例子,s_axi_aclk=100M,Clock Divide为24,mdc = 2M
  
  映射地址为0x504,Mido的控制字
  当为1Gb/s或2.5Gb/s的速度支持生成TEMAC解决方案时,位[31:30]被硬编码为值10。
  当生成TEMAC解决方案以支持10Mb/s和100Mb/s的速度时,位[31:30]仅接受值00来配置10Mb/s的操作,或者接受01来配置100Mb/s的操作。
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