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
例化的IP核的用户接口如下表所示那些，已经封装为axis接口了，而且人家给了IP读写fifo及相关的状态标识，我们只需要用就可以。
| 名称 |
方向 |
位宽 |
含义 |
||||||
| gtx_clk |
IN |
1 |
核的全局时钟，1Gbps是125M，2.5Gbps是312.5M |
||||||
| gtx_clk_out |
OUT |
1 |
该时钟相对于gtx_clk输入具有0°相移，并用于RGMII数据传输。 |
||||||
| gtx_clk90_out |
OUT |
1 |
该时钟相对于gtx_clk输入具有90°相移，用于RGMII发送器时钟转发。 |
||||||
| refclk |
IN |
1 |
仅适用于GMII或RGMI，空闲控制需要，200M到300M， 对于UltraScale需要到300至1333M |
||||||
| rx_enable |
OUT |
1 |
|
||||||
| rx_statistics_vector |
Out |
28 |
接收侧逻辑状态信息的集合(Table 2-8:) |
rx_mac_aclk 时钟域 |
|||||
| rx_statistics_valid |
Out |
1 |
表示接收侧逻辑状态信息的集合内容的有效信号 |
||||||
| rx_mac_aclk |
Out |
1 |
用于在物理接口上接收数据的时钟，该时钟应用于为物理接口接收电路和RX AXI4-Stream接收电路提供时钟。 312.5MHz对应2.5 Gb/s 125MHz对应1 Gb/s 25MHz对应100 Mb/s 2.5MHz对应10Mb/s |
||||||
| rx_reset |
Out |
1 |
高电平有效 RX部分的软复位 |
||||||
| rx_axis_mac_tdata |
Out |
8 |
核收到的用户数据 |
rx_mac_aclk
|
|||||
| rx_axis_mac_tvalid |
Out |
1 |
rx_axis_mac_tdata的数据有效信号 |
||||||
| rx_axis_mac_tlast |
Out |
1 |
rx_axis_mac_tdata端口的控制信号。 表示帧中的最后一个字节。 |
||||||
| rx_axis_mac_tuser |
Out |
1 |
rx_axis_mac_tdata的控制信号。 在帧接收结束时置位，表示帧有错误。 |
||||||
| rx_axis_filter_tuser |
Out |
X+1 |
每帧滤波器调谐器输出。可用于仅发送特定帧过滤器传递的数据。有关详细信息，请参阅帧过滤器 |
||||||
| tx_enable |
Out |
1 |
对于RGMII， 若为1Gbps，则一直高电平； 若为100Mbps，则十个周期中1个周期为高电平 若为10Mbps，则一百个周期中1个周期为高电平 |
|
|||||
| tx_ifg_delay |
IN |
8 |
用于可配置帧间间隙的控制信号 |
tx_mac_aclk |
|||||
| tx_statistics_vector |
Out |
32 |
状态收集统计 |
|
|||||
| tx_statistics_valid |
Out |
1 |
tx_statistics_vector数据的有效信号 |
|
|||||
| tx_mac_aclk |
Out |
1 |
用于在物理接口上传输数据的时钟，该时钟应用于为物理接口发送电路和TX AXI4-Stream发送电路提供时钟。 312.5MHz对应2.5 Gb/s 125MHz对应1 Gb/s 25MHz对应100 Mb/s 2.5MHz对应10Mb/s |
||||||
| tx_reset |
Out |
1 |
高有效，发送端模块的复位信号 |
||||||
| tx_axis_mac_tdata |
IN |
8 |
要传输的帧数据 |
tx_mac_aclk |
|||||
| tx_axis_mac_tvalid |
IN |
1 |
tx_axis_mac_tdata的数据有效信号，高电平有效 |
||||||
| tx_axis_mac_tlast |
IN |
1 |
tx_axis_mac_tdata的最后一个有效数据高电平 |
||||||
| tx_axis_mac_tuser |
IN |
1 |
tx_axis_mac_tdata端口的控制信号。表示允许MAC向PHY发送错误的帧中的错误情况，例如FIFO欠载。 |
||||||
| tx_axis_mac_tready |
OUT |
1 |
握手信号。当tx_axis_mac_tdata上的当前数据已被接受且tx_axis_mac_tvalid为High时，置位。在10/100 Mb / s时，这用于以正确的速率将数据计量到核心。 |
||||||
| pause_req |
IN |
1 |
暂停请求：根据请求，MAC在当前数据包完成时发送暂停帧 |
||||||
| pause_val |
IN |
16 |
暂停值：插入到传输的暂停帧的参数字段中。 |
||||||
| speedis100 |
OUT |
1 |
当内核以100Mb/s运行时，此输出有效。它来自MAC速度配置寄存器的位[13:12]。如果不存在可选的管理接口，则这是从配置向量位[13:12]派生的。 |
||||||
| speedis10100 |
OUT |
1 |
当内核以10 Mb / s或100 Mb / s运行时，此输出有效。它来自MAC速度配置寄存器的位[13:12]。如果管理接口不存在，则从配置向量位[13:12]导出 |
||||||
| rgmii_txd |
OUT |
4 |
传输数据到PHY，与PHY接口数据 |
tx_mac_aclk |
|||||
| rgmii_tx_ctl |
OUT |
1 |
到PHY的控制信号 |
||||||
| rgmii_txc |
OUT |
1 |
到PHY的时钟信号 |
||||||
| rgmii_rxd |
IN |
4 |
接收PHY的数据 |
rgmii_rxc |
|||||
| rgmii_rx_ctl |
IN |
1 |
来自PHY的控制信号 |
||||||
| rgmii_rxc |
IN |
1 |
来自PHY的时钟 |
||||||
| inband_link_status |
OUT |
1 |
来自PHY的链路状态 |
rgmii_rxc |
|||||
| inband_clock_speed |
OUT |
2 |
来自PHY的链路速度，这个是PHY硬件配置的 |
||||||
| inband_duplex_status |
OUT |
1 |
来自PHY的双工状态 |
||||||
| mdio |
OUT |
1 |
用于与PHY配置和状态通信的数据信号。若未使用则绑定高。 |
||||||
| IN |
1 |
输出数据信号，用于与PHY配置和状态进行通信 |
|||||||
| mdc |
OUT |
1 |
MDIO管理时钟：使用可选的管理接口时，根据提供的配置数据从s_axi_aclk派生。 |
||||||
| s_axi_aclk |
IN |
1 |
AXI4-Lite的时钟，用与对MAC和PHY芯片进行初始化和相应配置工作。时钟频率应在10-300M |
||||||
| s_axi_resetn |
IN |
1 |
复位，低有效 |
||||||
| s_axi_awaddr |
IN |
12 |
写入地址，AVB端点时禁用。 |
||||||
| s_axi_awvalid |
IN |
1 |
写地址有效 |
||||||
| s_axi_wdata |
IN |
32 |
写数据 |
||||||
| s_axi_wready |
OUT |
1 |
写数据就绪 |
||||||
| s_axi_bresp |
OUT |
2 |
写响应 |
||||||
| s_axi_bvalid |
OUT |
1 |
写响应有效 |
||||||
| s_axi_araddr |
IN |
12 |
读地址，AVB端点时禁用。 |
||||||
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。
表4.1 MDIO配置寄存器释义
| 映射地址为0x500，设定 | |||
| 位 |
默认值 |
类型 |
描述 |
| 31:7 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 6 |
0 |
R/W |
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 | |||
| 位 |
默认值 |
类型 |
描述 |
| 31:29 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 28:24 |
0 |
R/W |
TX_PHYAD：这可以控制正在访问的PHY地址。 |
| 23:21 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 20:16 |
0 |
R/W |
TX_REGAD:它控制被访问的寄存器地址。 |
| 15:14 |
0 |
R/W |
TX_OP：该字段控制写入1以启动时执行的访问类型。 01写访问 10读访问 |
| 13:12 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 11 |
0 |
WO |
启动：向此位写入1将启动MDIO传输 |
| 10:8 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 7 |
0 |
RO |
MDIO就绪：设置后，MDIO已启用并准备好进行新传输。这也用于识别先前的事务何时完成（例如，读取数据有效）。 |
| 6:0 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 映射地址为0x508，Mido的写数据 | |||
| 31:16 |
N/A |
Ro |
保留 |
| 15:0 |
0 |
R/W |
写数据 |
| 映射地址为0x50C，Mido的读数据 | |||
| 31:17 |
N/A |
RO |
保留 |
| 16 |
0 |
RO |
MDIO Ready：这是MDIO控制字的位[7]的副本 |
| 15:0 |
0 |
RO |
读数据 |
| 映射地址为0x410，MAC波特率的配置 | |||
| 31:30 |
10 |
R/W |
MAC的速率配置 00:10Mb/s 01:100Mb/s 10:1Gb/s 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 操作。 |
| 29:0 |
N/A |
RO |
读数据 |
