详解FPGA的10G以太网接口调试

详解FPGA的10G以太网接口调试

10G以太网接口简介

1、10G以太网结构

10G以太网接口分为10G PHY和10G MAC两部分。如下图所示。

本设计中使用了Xilinx公司提供的10GEthernet PCS/PMA IP核充当连接10GMAC的PHY芯片，然后将该IP核约束到光模块上构建完整的物理层。需要说明的是本设计主要是完成以太网二层逻辑设计，不涉及PHY层的逻辑设计，如：bit同步、字节同步、字同步、64b/66b编解码等。

2、10G以太网接口PHY

在接口调试过程中，可能用到PMA层的近端环回和远端环回功能。PMA近端回环，用于测试IP核内部自回环；PMA远端回环，用于将接收到的远端10G PHY发送的的数据在PMA层直接回环发送给远端10G PHY，而不经过本地的PCS层。

3、10G以太网接口时钟布局设计

由于10G Ethernet PCS/PMA是Xilinx官方提供的一款IP核，所以我们需要做的工作是结合开发板的实际情况，为该IP核以及其他模块设计合理的时钟电路，使其能够正常工作。本文选用Xilinx VC709开发板作为上板调试的硬件平台，因此我们的时钟布局需要充分考虑此开发板的结构来设计，具体的时钟布局如图5.3所示。

对于FPGA内部的时钟布局主要分为以下4部分：

（c） txoutclk是由10G Ethernet PCS/PMA IP产生的一个322.26MHz的时钟，该时钟经过BUFG后分为两路，其中txusrclk用于驱动IP核内GTH的32bits总线数据，txusrclk2用于驱动IP核内PCS层部分模块。

（d）200MHz的晶振产生差分时钟输入到FPGA内的PLL（Phase LockingLoop）模块，PLL模块以200MHz差分钟为驱动时钟生成192MHz用户钟（sys_clk）发送给10G MAC核用户侧。

4、仿真验证

在本节中我们主要是对10G MAC核和10G Ethernet PCS/PMA IP核进行联合仿真测试，用于检测两个模块结合后能否稳定运行。具体的测试原理如图5.4所示。

将10G Ethernet PCS/PMA IP核的高速串行差分信号的输入输出相连，实现回环测试。我们在10G MAC核的用户侧的设置一个数据源用于发送数据帧，数据经过MAC核后转变为标准以太网帧，通过XGMII接口发送到10G Ethernet PCS/PMA IP核，10G Ethernet PCS/PMA IP核将其变为高速串行差分信号输出，高速串行差分信号经过回环被10GEthernet PCS/PMA IP核接收，重复上述过程的逆过程，最终数据在10G MAC核的用户侧接收接口被恢复。本测试具体分为3个步骤：定长最短帧（64Bytes）仿真测试、定长最长帧（1518Bytes）仿真测试、随机帧长仿真测试。在每一个测试步骤中，我们要尽可能模拟10Gbps的业务流。对于数据的检测，我们不但要对比波形是否正确，还要将10GMAC核用户侧的收发数据分别记录到两个文档内，并使用软件对两个文档内的数据对比来判断收发数据是否一致。由于篇幅限制，我们只给出定长最短帧的仿真结果截图。

图5.5 定长最短帧仿真图

图5.6 定长最短帧收发数据对比图

10G以太网接口板级调试

1、工程设置

VC709开发板实物图

Vivado选择FPGA型号界面

首先选择IP核，在界面中选择10G Ethernet Subsystem，PCS/PMA选择 BASE-R，位宽选择为64bit，其他标签中的选项默认即可。

待IP核生成结束之后，右键IP核，选择Open Ip Example Design，VIVADO便会自动生成一个Example Design，如下图所示：

此时example design设置完成，此时的工程中自带一个数据源，即axi_10g_ethernet_0_gen_check_wrapper模块，但此数据源通过函数产生数据，不能综合，所以为配合Testcenter打流测试，将此数据源删掉。

为方便进行管脚分配，在生成的example design上新生成了一个顶层文件，并在此顶层模块中将用户侧输入输出的数据接在一起，实现MAC核的自回环。

此外在xdc文件中，管脚分配如下图所示：

2、上板验证

板级验证环境连接图如下，通过10G TestCenter用光口给VC709板子打流，在VC709板子的690T FPGA内部编写逻辑进行用户侧的环回，通过观察连接TestCenter的配置PC机上界面，就可以判断回环的测试是否成功。

通过10G Testcenter打流测试，首先配置测试环境，帧长为随机帧长（64~1518），速率设置为10G（实际设置为9.9G，当满速10G时Testcenter会出现一些丢帧错误，9.9G不会出现问题，但我们采用自己写的10G以太网MAC核，而非Vivado工具生成的MAC核时，可以支持满负荷线速处理，本文只给出采用Vivado生成的MAC核的演示结果）。

测试结果如下图所示，可以发现数据可以正常收发，且没有丢帧。

并在VIVADO中抓取了用户侧信号，结果如下图所示，数据收发正常。

参考时钟管脚分配注意事项

用同轴线连接后的实物图如下所示：

查看用户手册，可以发现7和8接口描述如下。

查看VC709原理图，可以发现对应690T FPGA管脚的参考时钟如下图：

另外，在Xilinx系列开发板中，VC707板子也具有10G的以太网接口，使用方法与VC709相同。

在VC707板子上，需要用同轴线连接的管脚是上图中的9和10。

VC709板子上VC707板子上与10G接口相关的FPGA管脚对比图如下，从图中可以看出，VC709开发板可以接10G的接口数明显多于VC707开发板。

上板调试过程中遇到的问题

1、时序违例问题。

问题描述：在使用软件vivado 2016.2完成对10G以太网接口综合实现后，发现软件报告该工程有几处时序路径的建立时间无法满足，可能会出现时序错误。

2、10G以太网接口无法接收数据的问题

解决方法：查阅手册，根据手册对光模块进行配置。再次进行测试，10G以太网接口可以接收数据，问题解决。

3、Vivado 2016.2软件BUG问题 发现了vivado2016.2版本的一个BUG!

参考文献

[2] Xilinx.ug885-2016.VC707evaluation board for the Virtex-7 FPGA user guide[S].Xilinx, 2016.

应用场景

1、数据中心加速。

2、SDN/NFV

把上面的应用场景扩展一下，就可以把带有FPGA的以太网卡用来降低各种各样场景下的CPU负荷，目前较为流行的概念是SMART NIC即智能网卡，其核心是通过FPGA(现场可编程门阵列)协助CPU处理网络负载，编程网络接口功能，具有以下特征：

通过FPGA本地化编程支持数据面和控制面功能定制，协助CPU处理网络负载；

通常包含多个端口和内部交换机，快速转发数据并基于网络数据包、应用程序套接字等智能映射到到相关应用程序；

检测和管理网络流量。

Smart NIC能够提升应用程序和虚拟化性能，实现软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的诸多优势，将网络虚拟化、负载均衡和其他低级功能从服务器CPU中移除，确保为应用提供最大的处理能力。与此同时，智能网卡还能够提供分布式计算资源，使得用户可以开发自己的软件或提供接入服务，从而加速特定应用程序。

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