基于RGMII的FPGA千兆以太网设计

一．总体概括
千兆以太网的理论网速为1000Mbit/s，实际网速接近该值，但几乎不可能达到，但相对于百兆网，网速快了很多。目前千兆以太网常用物理层接口有GMII和RGMII，两种接口有同有异，应用情况也有所差别。GMII占用的引脚较多，RGMII可以很大程序地减少引脚的使用。因此本设计采用RGMII接口进行设计，物理层芯片采用RTL8211E，根据以太网数据帧的要求并遵循相关时序要求，编写FPGA的Verilog代码，实现了千兆以太网UDP的通讯。
二．RGMII接口介绍
2.1 RGMII接口简介
RGMII采用11根信号线即可实现以太网通讯，大大减少了信号的数量，节约了硬件电路板的面积,RGMII 接口如图1所示。

图1 RGMM接口 图中RGMII接口各个信号线功能如表1所示。 表1 RGMII接口信号线功能表

TX_EN、TX_ER、RX_EN、RX为高电平时有效，即为高电平时表示使能或者有错误，因此，有效数据（数据线有数据且数据无误）接收期间，RX_CTRL为高电平；当数据发送期间，需要将置为TX_CTRL为高电平，表示数据发送使能且数据无误。RGMII数据接收（发送与接收一致）时序如图2所示。

图2 RGMII数据接收时序 2.2典型芯片 RTL8211E 是由Realtek（瑞昱半导体）公司推出的10Mbit/100Mbit/1000Mbit以太网物理层芯片，有RGMII和GMII两种接口，分别对应芯片RTL8211E和RTL8211EG。RGMII接口的RTL8211E具有48个引脚，相对与64脚的GMII接口的RTL8211EG，节约控制芯片引脚，但是时钟上升沿和下降沿都有数据操作，时序控制比较复杂一些，详细信息见其数据手册。RTL8211E芯片引脚图如图3所示, RTL8211EG芯片引脚图如图4所示。根据参考手册的参考电路即可进行硬件电路的设计，这里不做过多描述。

图3 RTL8211E引脚图

图4 RTL8211EG引脚图

三．以太网数据帧
在使用FPGA进行千兆以太网实现时，需要对物理层的数据流进行处理，因此需要对以太网数据帧、IP数据包格式、UDP数据包等数据包进行学习。
3.1 802.3以太网数据帧
以太网数据帧如图5所示，每个字段含义如表2所示。

图5 以太网数据帧 表2 以太网帧字段含义

3.2 IP数据包格式
IP数据以数据的形式包含在以太网数据帧中，其格式如图所示，各字段含义如表所示。

图6 IP数据包格式 表3 IP数据包字段含义

3.3.UDP数据包格式
UDP数据包以数据的形式包含在IP数据包中，其格式如图7所示，各字段含义如表4所示。

图7 UDP数据包格式 表4 UDP数据包字段含义

3.4 以太网协议架构
在以太网各种协议中，以太网数据帧、IP、UDP等协议之间的关系如图8所示。以太网数据帧位于最底层，第二层是IP协议、ARP协议、RARP协议等协议，第三层的TCP、UDP、IGMP等协议基于IP协议进行实现，多数网络应用程序可基于TCP或者UDP协议进实现。从上面的几种数据包介绍中，也可以推导出类似图中的关系。

图8 以太网协议架构

3.5 UDP广播包
使用抓包工具捕获了一个UDP广播的数据包，如图9所示。

图9 UDP广播包抓包 图中的捕获的数据位以太网数据帧（不包括前导码和起始码）。从图中可以看到，数据帧中的字段对应的数据及其含义，可将图中的数据与以太网帧格式、IP、UDP数据包格式进行对应，对它们的数据格式进行学习。

四．FPGA程序流程
4.1 数据接收流程
数据接收时，按照RGMII数据接收时序，进行物理层数据的接收，然后按照以太网数据帧、IP数据包、UDP数据包的格式，对数据进行解析，即可实现对UDP数据的接收。数据接收流程如图10所示。

图10 数据接收流程图 在以太网数据解析时，可以根据自己的应用要求进行进行数据的解析，减少不必要的资源浪费。 4.2 数据发送流程 数据发送时如图11所示。

图11数据接收流程 在数据发送时首先需要确定发送目标，其中包括目标IP地址、目标MAC地址（当采用广播进行通讯时，MAC全部为0XFF），目标端口号等目标信息，然后将要发送的数据进行UDP打包、IP打包、以太网帧打包，然后按照RGMII的时序要求将数据发送出去。 需要特别注意： 1. 当采用单播UDP时，需要进行ARP协议的发送或者应答。 2. RGMII发送时，要保证，在TXCLK上升或者下降沿时，TXD数据线上的数据已经稳定。