楊瑩1，張琴1，楊燦美2，林福江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：深入研究以太網組幀、傳輸的方式以及流量控制的原理，結合萬兆以太網介質訪問控制（XGMAC）64 bit數據并行處理的特點，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流量控制的要求。
關鍵詞：萬兆以太網；流量控制；XGMAC；PAUSE幀
0引言
自2002年萬兆以太網標準IEEE802.3ae［1］提出以來，萬兆以太網技術得到迅速發(fā)展與廣泛應用，近年來逐步取代千兆以太網成為新一代的城域骨干網絡。相對于千兆以太網MAC層的125 MHz時鐘頻率與8 bit數據處理位寬，萬兆以太網介質訪問控制(10 Gigabit Ethernet Media Access Controller, XGMAC)層采用156.25 MHz時鐘頻率與64 bit數據處理位寬。時鐘頻率的提高、數據位寬的增大給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協議的一種控制幀，遵從以太網最小幀長度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，提取時間參數用于流量控制模塊的暫停發(fā)送計數器賦值，并以此控制發(fā)送模塊暫停(恢復)發(fā)送數據幀。
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
千兆以太網中，因其8 bit的數據處理位寬限制，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。
本文經過對比分析后發(fā)現，對于暫停發(fā)送與恢復發(fā)送這兩種功能的幀，數據中有且只有時間參數與CRC校驗碼不同，考慮到XGMAC內部數據為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，時間參數根據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控制器根據接收緩存邏輯判斷結果選擇PAUSE ROM或發(fā)送緩存FIFO作為數據源，按照XGMAC數據格式送至預存數據FIFO即可。
本文設計的PAUSE發(fā)送控制器流程如圖3所示。
計數器于發(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0x0000，通知remote XGMAC可以繼續(xù)發(fā)送數據。PAUSE幀所需的CRC32校驗、填充及組幀可共用XGMAC本身的數據處理模塊。
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。與千兆以太網的8 bit數據處理位寬不同，64 bit并行識別PAUSE幀與定位參數的方式可大幅提高處理速度。XGMAC采用Deficit Idle Count（DIC）算法保證數據32 bit對齊；在本設計中利用移位寄存器，實現了數據幀的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)；若是數據幀，則根據當前接收FIFO狀態(tài)保存數據，遞交上層協議。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；第三個時鐘根據前兩個檢測結果獲取時間參數并用于發(fā)送計數器。
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）模擬以太網數據幀發(fā)送過程中插入PAUSE幀；（2）模擬以太網數據幀接收過程中檢測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)測數據幀發(fā)送狀態(tài)階段；C處表示當前數據幀讀取完畢；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，則于計數器計數完成后再次進入D狀態(tài)，計數過程中正常發(fā)送數據幀；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MAC層64 bit并行數據的特殊性，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，實現了發(fā)送端的流量控制。相對于純狀態(tài)邏輯的實現途徑，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，將接收數據64 bit對齊后，并行檢測特征參數以識別PAUSE幀，并提取時間參數反饋至發(fā)送端，有效地提升了處理速度。經過仿真，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
［1］ IEEE Std 802.3ae2002, Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation［S］.2002 .
?。?］ 張友亮, 劉志軍, 馬成海，等. 萬兆以太網MAC層控制器的FPGA設計與實現［J/OL］. 計算機工程與應用,（20110224）.http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20110224.1050.005.html.
［3］ 張立明，章建雄，王玉艷. 千兆以太網 MAC 的流量控制策略［J］. 計算機工程，2011，37（15）：256258.
?。?］ 夏宇聞．Verilog數字系統(tǒng)設計（第二版）［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2008．