楊瑩1，張琴1,，楊燦美2,，林福江1

　　（1.中國科學技術大學 信息科學技術學院,，安徽 合肥 230027;2.中國科學技術大學 先進技術研究院,，安徽 合肥 230027）

　　摘要：深入研究以太網(wǎng)組幀、傳輸?shù)姆绞揭约?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/流量控制" title="流量控制" target="_blank">流量控制的原理,，結合萬兆以太網(wǎng)介質訪問控制（XGMAC）64 bit數(shù)據(jù)并行處理的特點,，針對PAUSE幀響應周期長、占用硬件資源多的問題,，設計了一種精簡的基于PAUSE幀的流量控制電路,，在ISE中邏輯綜合與仿真。驗證結果表明,，該電路可滿足萬兆以太網(wǎng)流量控制的要求,。

　　關鍵詞：萬兆以太網(wǎng),；流量控制,；XGMAC；PAUSE幀

0引言

　　自2002年萬兆以太網(wǎng)標準IEEE802.3ae［1］提出以來,，萬兆以太網(wǎng)技術得到迅速發(fā)展與廣泛應用,，近年來逐步取代千兆以太網(wǎng)成為新一代的城域骨干網(wǎng)絡。相對于千兆以太網(wǎng)MAC層的125 MHz時鐘頻率與8 bit數(shù)據(jù)處理位寬,，萬兆以太網(wǎng)介質訪問控制(10 Gigabit Ethernet Media Access Controller, XGMAC)層采用156.25 MHz時鐘頻率與64 bit數(shù)據(jù)處理位寬,。時鐘頻率的提高、數(shù)據(jù)位寬的增大給MAC層流控制電路的設計帶來新的挑戰(zhàn)［2］,。本文針對XGMAC層的特點提出一種高效,、低功耗的流控制電路設計方案，旨在減少流控制機制對系統(tǒng)造成的額外延時并以此提高發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的效率,。

1基于PAUSE幀流控制的原理

　　為了提高傳輸效率,，XGMAC層采用PAUSE幀進行流量控制。PAUSE幀為符合IEEE802.3協(xié)議的一種控制幀,，遵從以太網(wǎng)最小幀長度64 B的限制［3］,。

　　流量控制原理如圖1所示，當local_XGMAC 接收模塊中接收緩存快滿（快空）時,，local發(fā)送模塊根據(jù)圖1XGMAC流量控制示意圖

　　流量控制模塊指示的信號發(fā)送時間參數(shù)為0xFFFF（0x0000）的PAUSE幀,。remote_XGMAC接收模塊接收到PAUSE幀并確認有效后,，提取時間參數(shù)用于流量控制模塊的暫停發(fā)送計數(shù)器賦值，并以此控制發(fā)送模塊暫停(恢復)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,。

2流量控制電路的結構

　　如圖2所示,，XGMAC流量控制模塊分為發(fā)送和接收兩個部分。

　　2.1PAUSE幀發(fā)送電路設計

　　千兆以太網(wǎng)中,，因其8 bit的數(shù)據(jù)處理位寬限制,，PAUSE幀通常使用邏輯狀態(tài)機，按照幀格式通過狀態(tài)轉換填充至發(fā)送緩存,，邏輯略顯繁瑣,。

　　本文經(jīng)過對比分析后發(fā)現(xiàn)，對于暫停發(fā)送與恢復發(fā)送這兩種功能的幀,，數(shù)據(jù)中有且只有時間參數(shù)與CRC校驗碼不同,，考慮到XGMAC內部數(shù)據(jù)為64 bit并行處理，設計時可將幀中固定部分（即目的地址到操作碼）與控制字節(jié)直接固化于72 bit位寬的PAUSE ROM空間內,，時間參數(shù)根據(jù)幀的功能對應賦值即可,。發(fā)送電路的結構如圖2上半部分所示。實際工作中,，由發(fā)送PAUSE控制器根據(jù)接收緩存邏輯判斷結果選擇PAUSE ROM或發(fā)送緩存FIFO作為數(shù)據(jù)源,，按照XGMAC數(shù)據(jù)格式送至預存數(shù)據(jù)FIFO即可。

　　本文設計的PAUSE發(fā)送控制器流程如圖3所示,。

　　計數(shù)器于發(fā)送PAUSE幀后啟動,，用于保證兩次PAUSE幀發(fā)送的間隔時間；local XGMAC處于暫停接收狀態(tài)時,，檢測到接收緩存快空時,，即進入發(fā)送PAUSE幀狀態(tài)，設置時間參數(shù)0x0000,，通知remote XGMAC可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),。PAUSE幀所需的CRC32校驗、填充及組幀可共用XGMAC本身的數(shù)據(jù)處理模塊,。

　　使用Verilog HDL［4］語言對PAUSE發(fā)送控制器進行描述,，部分關鍵代碼如下：

　　always@(posedge clk_tx or negedge reset_tx_n) begin

　　if(!reset_tx_n) pauserom_sel <= 1′b0;

　　else if(local_busy&pause_tmzero&(tx_empty|tx_eop)) pauserom_sel <= 1′b1;

　　else if(pause_eop) pauserom_sel <= 1′b0;

　　end

　　assign txl_rdat= pauserom_sel? pauserom _rdat : tx_rdat;

　　assign txl_eop = pauserom_sel? pauserom_eop : tx_eop;

　　assign txl_sop = pauserom_sel? pauserom_sop : tx_sop;

　　assign txl_empty = pauserom_sel? pause_rempty : (tx_empty | pause_state);

　　assign pauserom_ren = pauserom _sel? txl_ren : 1′b0;

　　assign tx_ren =pauserom _sel? 1′b0 : txlfifo_ren;

　　其中，local_busy表示接收緩存FIFO快滿,；pause_tmzero表示計數(shù)器計時結束,；pause_state表示當前處于暫停發(fā)送狀態(tài)。

　　2.2PAUSE幀接收電路設計

　　本文設計的接收電路結構如圖2下半部分所示,，接收PAUSE幀控制器是本設計的重點,。與千兆以太網(wǎng)的8 bit數(shù)據(jù)處理位寬不同，64 bit并行識別PAUSE幀與定位參數(shù)的方式可大幅提高處理速度,。XGMAC采用Deficit Idle Count（DIC）算法保證數(shù)據(jù)32 bit對齊,；在本設計中利用移位寄存器,，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的64 bit對齊，方便XGMAC的后續(xù)處理,。實際工作中,，3個時鐘周期可完成PAUSE識別。

　　PAUSE接收控制流程如圖4所示,。檢測到幀頭后進行判斷：若為PAUSE幀,，設置暫停發(fā)送或者恢復發(fā)送的狀態(tài)；若是數(shù)據(jù)幀,，則根據(jù)當前接收FIFO狀態(tài)保存數(shù)據(jù),，遞交上層協(xié)議。部分關鍵代碼為：

　　if (curr_cnt == 11′d0 && rx_aligndat［47:0］ == ′PAUSE_FRAME) begin

　　next_pause_addr = 1′b1;

　　end

　　if (curr_cnt == 11′d8) begin

　　next_pause_addr = 1′b0;

　　if( pause_addr && rx_aligndat ［47:32］ == ′PAUSE_TYPE &&

　　rx_aligndat ［63:48］ == ′PAUSE_OPERATE) begin

　　next_pause_opera = 1′b1;

　　end

　　end

　　if (curr_cnt == 11′d16 && pause_opera == 1′b1) begin

　　next_pause_opera = 1′b0;

　　next_pause_time = rx_aligndat ［15:0］;

　　next_pause_frame = 1′b1;

　　end

　　其中,，第一個時鐘沿完成組播目的地址的檢測,；第二個時鐘沿結合地址檢測結果并行檢測幀的類型與操作碼；第三個時鐘根據(jù)前兩個檢測結果獲取時間參數(shù)并用于發(fā)送計數(shù)器,。

3仿真及驗證

　　電路選用Virtex5系列 XC5VSX50T型FPGA芯片,，按以下流程使用ISIM進行仿真驗證：（1）模擬以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程中插入PAUSE幀；（2）模擬以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收過程中檢測PAUSE幀,；（3）將發(fā)送部分與接收部分相連進行環(huán)回測試,，檢測PAUSE幀發(fā)送與接收整個過程。環(huán)回測試截取仿真時間140 ns~550 ns的波形如圖5所示,。圖5回環(huán)測試結果A處表示正常狀態(tài)下發(fā)送PAUSE控制器選擇讀取發(fā)送緩存 FIFO,；B處監(jiān)測到接收緩存FIFO快滿，進入監(jiān)測數(shù)據(jù)幀發(fā)送狀態(tài)階段,；C處表示當前數(shù)據(jù)幀讀取完畢,；結合B處狀態(tài),，D處發(fā)送PAUSE控制器切換讀取PAUSE ROM并發(fā)送,，若持續(xù)檢測到接收緩存FIFO快滿，則于計數(shù)器計數(shù)完成后再次進入D狀態(tài),，計數(shù)過程中正常發(fā)送數(shù)據(jù)幀,；E處pause_frame_ok信號指示PAUSE幀環(huán)回后被正常接收識別。

　　在ISE中對關鍵路徑進行約束,，綜合后得到最高運行頻率達181.23 MHz,，頻率設計余量約16%，滿足XGMAC設計要求,。

4結論

　　針對萬兆以太網(wǎng)MAC層64 bit并行數(shù)據(jù)的特殊性,，本文通過在發(fā)送緩存鏈路中插入控制電路，利用小容量ROM配合簡易邏輯的方式,，實現(xiàn)了發(fā)送端的流量控制,。相對于純狀態(tài)邏輯的實現(xiàn)途徑,，此方式更容易凸顯電路的簡潔，從而提升電路的高速性能,；接收鏈路中,，將接收數(shù)據(jù)64 bit對齊后，并行檢測特征參數(shù)以識別PAUSE幀,，并提取時間參數(shù)反饋至發(fā)送端,，有效地提升了處理速度。經(jīng)過仿真,，驗證了該方案可行,。本文的思路對其他高速通信的流量控制電路設計具有一定借鑒意義。

參考文獻

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　　［4］ 夏宇聞．Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計（第二版）［M］．北京：北京航空航天大學出版社,，2008．