基于FPGA的UDP协议栈设计第七章

本文主要是介绍基于FPGA的UDP协议栈设计第七章_RGMII模块设计，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

前言：
一、GMII和RGMII简介
- 1.1、接收数据过程
- 1.2、发送数据过程
二、IDDR、ODDR、IDEALY2和ODELAY2
三、BUFG和BUFIO
四、FPGA代码设计

前言：

该部分内容主要需要掌握各种IO和时钟相关的原语使用

一、GMII和RGMII简介

以太网的通信离不开PHY芯片，PHY芯片实现实现了RGMII接口到网口（RJ45）的转换，RGMII接口就是PHY芯片和FPGA之间的接口。
GMII：GMII（Gigabit Media Independant Interface），千兆MII接口。GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000。信号定义如下：
在这里插入图片描述

RGMII：RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精简GMII接口。相对于GMII相比，RGMII具有如下特征：
发送/接收数据线由8条改为4条
TX_ER和TX_EN复用，通过TX_CTL传送
RX_ER与RX_DV复用，通过RX_CTL传送
1 Gbit/s速率下，时钟频率为125MHz
100 Mbit/s速率下，时钟频率为25MHz
10 Mbit/s速率下，时钟频率为2.5MHz
信号定义如下：
在这里插入图片描述
其中 ETH_RXC、 ETH_RXCTL 和 ETH_RXD 为 MAC 接收侧引脚； ETH_TXC、 ETH_TXCTL 和
ETH_TXD 为 MAC 发送侧引脚； ETH_MDC 和 ETH_MDIO 为 MDIO 接口引脚，用于配置 PHY 芯片内部寄存器； ETH_RST_N 为 PHY 芯片硬件复位信号。由于 PHY 芯片的内部寄存器在默认配置下也可以正常工作，因此本次实验没有对 MDIO 接口进行读写操作，只用到了以太网的 RGMII 接口信号和复位信号。RGMII 使用 4bit 数据接口，在 1000Mbps 通信速率下， ETH_TXC 和 ETH_RXC 的时钟频率为125Mhz，采用上下沿 DDR（ Double Data Rate）的方式在一个时钟周期内传输 8 位数据信号，即上升沿发送/接收低 4 位数据，下降沿发送/接收高 4 位数据。 ETH_TXCTL 和 ETH_RXCTL 控制信号同样采用 DDR的方式在一个时钟周期内传输两位控制信号，即上升沿发送/接收数据使能（ TX_EN/RX_ DV）信号，下降沿发送/接收使能信号与错误信号的异或值（ TX_ERR xor TX_EN、 RX_ERR xor RX_DV）。当 RX_DV 为高电平（表示数据有效）， RX_ERR 为低电平（表示数据无错误），则异或的结果值为高电平，因此只有当ETH_RXCTL 和 ETH_TXCTL 信号的上下沿同时为高电平时，发送和接收的数据有效且正确。
以下内容参考正点原子达芬奇开发板资料

1.1、接收数据过程

在这里插入图片描述
由上图可知， RXC 的上下边沿与 RXD 和 RX_CTL 信号对齐，相位相同。

由上图可知， RXC 的上下边沿与 RXD 和 RX_CTL 信号的中间位置对齐， RXC 的时钟周期为 8ns，单个高电平或者低电平为 4ns， RXC 相对于 RXD 和 RX_CTL 延时约 2ns。YT8531（达芬奇开发板PHY芯片） RGMII 接收端口的信号对齐模式由硬件上的引脚外接上下拉电阻进行配置，如图 53.1.11 所示。从下图中可以看出， RXC 时钟相对于 RXD 信号，在 1000M 的速率下会增加约 2ns 的延时。我们知道在开发板硬件原理图中 YT8531 的管脚 RXD0_RXDLY 和 RXD1_TXDLY 接的是上拉电阻，因此 RXC 和RXD 之间以及 TXC 和 TXD 之间在千兆网下都会有 2ns 的延时， RGMII 接收端口的时序图如图 53.1.10 所示。
注：一般来说开发板默认配置的PHY应该都是带延时的 ，像达芬奇这种直接就焊电路板就把配置定好了，但有的板卡要自己修改寄存器数值。
在这里插入图片描述

1.2、发送数据过程

在这里插入图片描述
RGMII 发送端口正常模式下，需要满足 TXC 的上下边沿与 TXD 和 TX_CTL 信号对齐，相位相同。 YT8531 在硬件上面也做 TX 端的 delay 模式，可根据实际情况，选择是否在代码中进行延时
（因为一般对端设备的接收端会有延时处理的功能，因此发送端也可以不延时），延时后的时序图如下所示：
在这里插入图片描述
由 RGMII 的接口时序可知， RGMII 发送端口在 TXC 时钟的上升沿传输 TXD 的低 4 位和 TX_CTL 的
使能信号；下降沿传输 TXD 的高 4 位和 TX_CTL 的错误信号（实际上是使能信号和错误信号的异或值）；RGMII 接收端口在 RXC 时钟的上升沿传输 RXD 的低 4 位和 RX_CTL 的使能信号；下降沿传输 RXD 的高4 位和 RX_CTL 的错误信号（实际上是使能信号和错误信号的异或值）。

二、IDDR、ODDR、IDEALY2和ODELAY2

该部分内容详见上一篇内容：IDDR、ODDR、IDEALY2和ODELAY2详解

三、BUFG和BUFIO

BUFIO ：IO时钟网络，它只能驱动IO Block里面的逻辑，不能驱动CLB里面的LUT，REG等逻辑。
BUFR ：是regional时钟网络，它的驱动范围只能局限在一个clock region的逻辑，但是它可以同时驱动IO和内部逻辑。
BUFG ：是全局时钟网络，它可以驱动所有的IO和逻辑，并且可以被Transceiver所驱动。
BUFR相比BUFG的最大优势是skew和功耗都比较小，在源同步的设计中，这一点也是很关键的。

四、FPGA代码设计

有了以上知识，该模块设计就简单多了
至于如何适用百兆以太网，只需要在使用ODDR时在一个时钟周期内上升沿和下降沿都传输相同数据即可
设计代码为本人参考FPGA奇哥系列网课自行编写

module RGMII_Tri(/*--------rgmii port--------*/input           i_rxc           ,input  [3 :0]   i_rxd           ,input           i_rx_ctl        ,output          o_txc           ,output [3 :0]   o_txd           ,output          o_tx_ctl        ,/*--------data port--------*/input           idelay_clk      ,input  dly_clk,output          o_rxc           ,input   [7 :0]  i_send_data     ,input           i_send_valid    ,output  [7 :0]  o_rec_data      ,output          o_rec_valid     ,output          o_rec_end       ,output  [1:0]   o_speed         ,output          o_link          
);
//parameter define
parameter IDELAY_VALUE = 0;reg  [7 :0]         ri_send_data =0 ;
reg                 ri_send_valid=0 ;
reg  [7 :0]         ro_rec_data = 0 ; 
reg                 ro_rec_valid= 0 ; 
reg                 ro_rec_end  = 0 ; 
reg                 r_cnt_10_100= 0 ; 
reg                 r_tx_cnt_10_100 = 0 ;
reg  [1 :0]         ro_speed=0      ;
reg                 ro_link =0      ;
reg  [1 :0]         r_rec_valid=0   ;wire                w_rxc_bufr      ;
wire                w_rxc_bufio     ;
wire                w_rxc_idelay    ;
wire [3 :0]         w_rxd_ibuf      ;
wire                w_rx_ctl_ibuf   ;
wire [7 :0]         w_rec_data      ;
wire [1 :0]         w_rec_valid     ;
wire [3 :0]         w_send_d1       ;
wire [3 :0]         w_send_d2       ;
wire                w_send_valid    ;
wire                i_speed1000     ;
wire                w_txc           ;  
wire                w_txc_90        ;
wire w_rxc_bufr_dly;wire [3:0] w_rxd_idly;
wire w_rx_ctl_idly;assign w_txc    = ~w_rxc_bufr;
assign o_rxc    = w_rxc_bufr;
assign o_speed  = ro_speed   ;
assign o_link   = ro_link    ;
assign i_speed1000 = 1;
assign o_rec_data  = ro_rec_data ;
assign o_rec_valid = ro_rec_valid;
assign o_rec_end   = ro_rec_end  ;OBUF #(.DRIVE           (12             ),   // Specify the output drive strength.IOSTANDARD      ("DEFAULT"      ), // Specify the output I/O standard.SLEW            ("SLOW"         ) // Specify the output slew rate
) OBUF_inst (.O               (o_txc          ),     // Buffer output (connect directly to top-level port).I               (w_txc       )      // Buffer input 
);BUFIO BUFIO_inst (.O               (w_rxc_bufio   ),.I               (i_rxc  ) 
);BUFG BUFG_inst (.O(w_rxc_bufr), // 1-bit output: Clock output.I(i_rxc)  // 1-bit input: Clock input);genvar rxd_i;
generate for(rxd_i = 0 ;rxd_i < 4 ;rxd_i = rxd_i + 1)
beginIBUF #(.IBUF_LOW_PWR    ("TRUE"        ),  .IOSTANDARD      ("DEFAULT"     )) IBUF_U (.O               (w_rxd_ibuf[rxd_i] ),     // Buffer output.I               (i_rxd[rxd_i]      )      // Buffer input (connect directly to top-level port));(* IODELAY_GROUP = "rgmii_rx_delay" *) 
IDELAYCTRL  IDELAYCTRL_inst (.RDY(),                      // 1-bit output: Ready output.REFCLK(idelay_clk),         // 1-bit input: Reference clock input.RST(1'b0)                   // 1-bit input: Active high reset input
);//rgmii_rx_ctl???????????????
(* IODELAY_GROUP = "rgmii_rx_delay" *) 
IDELAYE2 #(.IDELAY_TYPE     ("FIXED"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE.IDELAY_VALUE    (IDELAY_VALUE),      // Input delay tap setting (0-31).REFCLK_FREQUENCY(200.0)              // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz 
)
u_delay_rxd (.CNTVALUEOUT     (),                  // 5-bit output: Counter value output.DATAOUT         (w_rxd_idly[rxd_i]),// 1-bit output: Delayed data output.C               (1'b0),              // 1-bit input: Clock input.CE              (1'b0),              // 1-bit input: enable increment/decrement.CINVCTRL        (1'b0),              // 1-bit input: Dynamic clock inversion input.CNTVALUEIN      (5'b0),              // 5-bit input: Counter value input.DATAIN          (1'b0),              // 1-bit input: Internal delay data input.IDATAIN         (w_rxd_ibuf[rxd_i]),      // 1-bit input: Data input from the I/O.INC             (1'b0),              // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay.LD              (1'b0),              // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input.LDPIPEEN        (1'b0),              // 1-bit input: Enable PIPELINE register.REGRST          (1'b0)               // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
);IDDR #(.DDR_CLK_EDGE   ("SAME_EDGE_PIPELINED"    ),.INIT_Q1        (1'b0                     ),.INIT_Q2        (1'b0                     ),.SRTYPE         ("SYNC"                   ) )   IDDR_u0     (   .Q1             (w_rec_data[rxd_i]          ), // 1-bit output for positive edge of clock .Q2             (w_rec_data[rxd_i +4]       ), // 1-bit output for negative edge of clock.C              (w_rxc_bufio                ),  .CE             (1                          ),.D              (w_rxd_idly[rxd_i]          ),  .R              (0                          ),   .S              (0                          )   );
end
endgenerateIBUF #(.IBUF_LOW_PWR    ("TRUE"                    ),  .IOSTANDARD      ("DEFAULT"                 )
)           
IBUF_U          
(           .O               (w_rx_ctl_ibuf             ),     // Buffer output.I               (i_rx_ctl                  )      // Buffer input (connect directly to top-level port)
);(* IODELAY_GROUP = "rgmii_rx_delay" *) 
IDELAYE2 #(.IDELAY_TYPE     ("FIXED"),           // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE.IDELAY_VALUE    (IDELAY_VALUE),      // Input delay tap setting (0-31).REFCLK_FREQUENCY(200.0)              // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz 
)
u_delay_rx_ctrl (.CNTVALUEOUT     (),                  // 5-bit output: Counter value output.DATAOUT         (w_rx_ctl_idly),// 1-bit output: Delayed data output.C               (1'b0),              // 1-bit input: Clock input.CE              (1'b0),              // 1-bit input: enable increment/decrement.CINVCTRL        (1'b0),              // 1-bit input: Dynamic clock inversion input.CNTVALUEIN      (5'b0),              // 5-bit input: Counter value input.DATAIN          (1'b0),              // 1-bit input: Internal delay data input.IDATAIN         (w_rx_ctl_ibuf),      // 1-bit input: Data input from the I/O.INC             (1'b0),              // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay.LD              (1'b0),              // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input.LDPIPEEN        (1'b0),              // 1-bit input: Enable PIPELINE register.REGRST          (1'b0)               // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
);IDDR #(.DDR_CLK_EDGE   ("SAME_EDGE_PIPELINED"      ),.INIT_Q1        (1'b0                       ),.INIT_Q2        (1'b0                       ),.SRTYPE         ("SYNC"                     ) 
)   
IDDR_u0     
(   .Q1             (w_rec_valid[0]             ), // 1-bit output for positive edge of clock .Q2             (w_rec_valid[1]             ), // 1-bit output for negative edge of clock.C              (w_rxc_bufio                ),  .CE             (1                          ),.D              (w_rx_ctl_idly              ),  .R              (0                          ),   .S              (0                          )   
);always@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(!i_speed1000 && (&w_rec_valid))r_cnt_10_100 <= r_cnt_10_100 + 1;else r_cnt_10_100 <= 'd0;
end always@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(&w_rec_valid && i_speed1000)ro_rec_valid <= 'd1;else ro_rec_valid <= r_cnt_10_100;
endalways@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(i_speed1000)ro_rec_data <= w_rec_data;else ro_rec_data <= {w_rec_data[3:0],ro_rec_data[7:4]};
endalways@(posedge w_rxc_bufr)
beginr_rec_valid <= w_rec_valid;
endalways@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(!w_rec_valid && r_rec_valid)ro_rec_end <= 'd1;else ro_rec_end <= 'd0;
endalways@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(w_rec_valid == 'd0) beginro_speed <= w_rec_data[2:1];ro_link  <= w_rec_data[0];end else beginro_speed <= ro_speed;ro_link  <= ro_link ;end
end/*---------rgmii send--------*/
always@(posedge w_rxc_bufr)
beginri_send_data  <= i_send_data;ri_send_valid <= i_send_valid;
endalways@(posedge w_rxc_bufr)
beginif(i_send_valid)r_tx_cnt_10_100 <= r_tx_cnt_10_100 + 1;else r_tx_cnt_10_100 <= 'd0;
endgenvar txd_i;
generate for(txd_i = 0 ;txd_i < 4 ; txd_i = txd_i + 1)
beginassign w_send_d1[txd_i] = i_speed1000 ? i_send_data[txd_i]     :  r_tx_cnt_10_100 == 0 ? i_send_data[txd_i] : ri_send_data[txd_i + 4];assign w_send_d2[txd_i] = i_speed1000 ? i_send_data[txd_i + 4] : r_tx_cnt_10_100 == 0 ? i_send_data[txd_i] : ri_send_data[txd_i + 4];ODDR #(.DDR_CLK_EDGE    ("OPPOSITE_EDGE"       ),.INIT            (1'b0                  ),.SRTYPE          ("SYNC"                ) ) ODDR_u (.Q               (o_txd[txd_i]          ),  .C               (w_txc                 ),.CE              (1                     ),.D1              (w_send_d1[txd_i]      ),    .D2              (w_send_d2[txd_i]      ),    .R               (0                     ),.S               (0                     ) );
end
endgenerateassign w_send_valid = i_speed1000 ? i_send_valid : i_send_valid | ri_send_valid;ODDR#(.DDR_CLK_EDGE    ("OPPOSITE_EDGE"       ),.INIT            (1'b0                  ),.SRTYPE          ("SYNC"                ) 
)
ODDR_uu0 
(.Q               (o_tx_ctl              ),  .C               (w_txc                 ),.CE              (1                     ),.D1              (w_send_valid          ),    .D2              (w_send_valid          ),    .R               (0                     ),.S               (0                     ) 
);endmodule