基于FPGA的千兆以太网交换芯片的设计_柳利军

兆以太网中的关键芯片。文章介绍了一种基于 ＦＰＧＡ 的 ８ 端口千兆以太网交换芯片的实现方案， 并且给出了仿真
验证结果。结果表明， 该设计方案是可行的。
关键词： 千兆以太网， 二层交换， ＦＰＧＡ
中图法分类号： ＴＰ３９３．１１
源自文库文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ ７１８０（ ２００６） ０３－ ０２
芯 片 内 部 有 一 个 容 量 为 １０８ｋ 字 节 的 双 端 口 ＳＲＡＭ， 用于缓存 接 收 到 的 ＭＡＣ 帧 ， 内 存 管 理 模 块 负责该 ＳＲＡＭ 存储空间的分配、释放和读写控制。
芯 片 内 部 核 心 部 分 工 作 时 钟 频 率 为 １２５ＭＨｚ， 端口有可能会接在 １００Ｍｂ／ｓ 或 １０Ｍｂ／ｓ 的网段上， 此 时接口的工作时钟为 ２５ＭＨｚ， 因此需要一个接口缓 存模块来缓存数据。该模块包含 ８ 个接收 ＦＩＦＯ 和 ８ 个发送 ＦＩＦＯ， 分别对应于 ８ 个 ＧＭＩＩ／ＭＩＩ 端口。
３６ 字节） ， 将其和 ＭＡＣ 帧的帧头、帧尾标识以及帧 有效信号提供给交换处理模块。交换处理模块处理 完成后， 会返回发送描述符， ＭＡＣ 帧处理模块根据 描述符读出 ＳＲＡＭ 中的 ＭＡＣ 帧， 缓存在描述符指 定的与发送端口对应的发送 ＦＩＦＯ 中。在检测到发 送允许信号后， 生成 ＭＡＣ 帧， 发送到 ＧＭＩＩ／ＭＩＩ 口。 发送完成后， 发送给内存管理单元释放使能信号。
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微电子学与计算机
２００６ 年第 ２３ 卷第 ３ 期
基于 ＦＰＧＡ 的千兆以太网交换芯片的设计
柳利军 １ 熊良芳 ２
（ １ 武汉科技大学城建学院， 湖北 武汉 ４３００７０） （ ２ 中兴通讯股份有限公司 ＩＣ 开发三部， 广东 深圳 ２０１２０３）
摘 要： 千兆以太网（ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ） 技术目前被广泛应用于局域网中， 千兆以太网二层（ ＭＡＣ 层） 交换芯片是千
Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈ Ｃｈｉｐ ｆｏｒ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒ ｎｅｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡｓ
ＬＩＵ Ｌｉ－ｊｕｎ１， ＸＩＯＮＧ Ｌｉａｎｇ－ｆａｎｇ２
（ １ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０ Ｃｈｉｎａ） （ ２ Ｔｈｒｅｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＩＣ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ＺＴＥ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ２０１２０３ Ｃｈｉｎａ）
参考文献
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技术与传感器， １９９８，１０： １～３
［２］ 缑新科． 一种集成电流－ 频率转换器电路的研究． 甘肃工
业大学学报， １９９４， （４）： １～３
［３］ 万 天 才． ＡＤ６５０ 电 压 频 率 与 频 率 电 压 转 换 器． 国 外 电 子
千兆以太网二层（ ＭＡＣ 层） 交换芯片是千兆以 太网技术得以实现的关键芯片。使用它可以用来连 接 多 个 不 同 局 域 网 （ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＬＡＮ） 的 网 段， 扩展局域网覆盖的区域； 可以实现 １０００Ｍｂ／ｓ 网 段、１００Ｍｂ／ｓ 网段和 １０Ｍｂ／ｓ 网段之间的互连， 使建 立混合速率的局域网成为可能； 可以将局域网络流 量限制在局域网的有限部分来提高性能［２］。
学习转发控制模块根据接收到的帧头信息查 询 ＭＡＣ 地址表， 查询的过程遵照 ＨＡＳＨ 算法。如果 发现是新的 ＭＡＣ 源地址， 则通知端口记录模块刷 新 ＭＡＣ 地址表， 完成“学习”过程。这个模块同时依 照 ＨＡＳＨ 算法， 根据目的地址查找 ＭＡＣ 表， 得到对 应目的地址的端口号， 并且通知端口记录模块完成 “转发”过程。同时， 学习转发控制模块还会根据帧 头信息写 ＶＬＡＮ 表， 当工作状态设定为支持 ＶＬＡＮ 时， 读取 ＶＬＡＮ 信息， 发送到端口记录模块。
收稿日期： ２００５－ ０４－ ０８
芯片中包含一个 ＭＡＣ 地址表， 地址表的每个 存 储 单 元 为 一 条 如 表 １ 所 示 的 ７２ 比 特 的 ＭＡＣ 地 址 索 引 信 息 。ＭＡＣ 地 址 表 一 共 可 以 存 储 ４０９６ 条 ＭＡＣ 地址索引信息。
表 １ ＭＡＣ 地址索引信息结构表
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率曲线如图 ３ 所示。
４ 结束语 由 于 组 成 积 分 器 的 斩 波 稳 零 运 放 ＩＣＬ７６５０ 具
有极低的失调电压和漂移， 使得积分器的零位和积 分电压漂移都很小， 从而使该 Ｉ／Ｆ 转换器有着良好 的性能。经测试转换器基本没有零位漂移， 在输入 电流－ ７０ｍＡ～７０ｍＡ 范围内对称性良好， 非线性度好 （ 可达万分之一） ， 频率范围宽，具有较广泛的使用价 值． 可广泛用于导航、雷达、遥控遥测、模拟信 号 传 输、数据采集和通讯系统、现代导航系统等领域。
１ 引言 以太网技术是当今应用最为广泛的网络技术，
千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优 点， 同时又具有许多新的特性， 例如传输介质包括 光纤和铜缆， 使用 ８Ｂ／１０Ｂ 的编解码方案， 采用载波 扩展和分组突发技术等。正是因为具有良好的继承 性和许多优秀的新特性， 千兆以太网已经成为目前 局域网的主流解决方案［１］。
ＲＳ２３２ 接口是芯片与用户的接口， 通过该接口， 用户可以读取寄存器的值了解芯片的工作状态， 可 以配置寄存器来调整芯片的工作模式。
ＭＡＣ 帧处理模块主要实现 ＭＡＣ 帧的接收和发 送 功 能 。ＧＭＩＩ／ＭＩＩ 口 接 收 到 ＭＡＣ 帧 数 据 后 ， ＭＡＣ 帧处理模块先将其缓存在接口帧缓存模块中的接 收 ＦＩＦＯ 中， 并请求内存管理模块分配缓存空间， 得 到内存管理模块的回复后， 将 ＭＡＣ 帧存储到分配 的存储空间， 同时提取出帧头（ 从目的地址开始的
２ 工作原理 本 文 介 绍 的 千 兆 以 太 网 交 换 芯 片 按 照 ＩＥＥＥ
８０２．３［３］标 准 实 现 了 ８ 个 独 立 千 兆 端 口 之 间 的 ＭＡＣ 帧交换［４］， 同时向下兼容 １０Ｍｂ／ｓ 和 １００Ｍｂ／ｓ 的 ＭＡＣ 帧交换 。 其 最 基 本 的 工 作 原 理 可 概 括 为 “学 习 转 发”， 它包括“学习”和“转发”两个部分。
交换处理模块是整个芯片的核心模块， 帧头信 息 提 取 和 ＭＡＣ 地 址 表 的 管 理 都 在 这 个 模 块 中 实 现， 其结构框图如图 ２ 所示。
３ ＦＰＧＡ 实现 整个交换芯片的结构框图如图 １ 所示， 整个交
换芯片由接口帧缓存、ＭＡＣ 帧处理模块、交换处理 模块、内存管理模块、寄存器以及 ＲＳ２３２ 接口组成。
４ 结束语 通过上述分析和仿真验证， 可以看出本文介绍
的千兆以太网二层交换芯片的设计方案是可行的。 本 设 计 已 经 采 用 ＡＬＴＥＲＡ 公 司 ＳＴＲＡＴＩＸ 系 列 的 ＥＰ１Ｓ８０ 芯片实现。设置 ８ 个端口工作模式为千兆全 双工模式， 采用以太网测试仪 ＳｍａｒｔＢｉｔｓ ６０００Ｃ 进行 性能测试， 结果为 １０ 分钟 ８ 端口 １０００Ｍｂ／ｓ 测试丢
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＬＡＮ） ｒｅｃｅｎｔｌｙ， Ｌａｙｅｒ ２ （ＭＡＣ） ｓｗｉｔｃｈ ｃｈｉｐ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｈｉｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ８ ｐｏｒｔｓ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｓｗｉｔｃｈ ｃｈｉｐ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ， Ｌａｙｅｒ ２ Ｓｗｉｔｃｈ， ＦＰＧＡ
从 端 口 接 收 到 一 个 要 求 转 发 的 ＭＡＣ 帧 后 ， 提 取 ＭＡＣ 帧中的目的地址， 并在 ＭＡＣ 地址表中查找 与之对应的条目， 从中得到目的地址对应的端口 号， 将 ＭＡＣ 帧 转 发 到 相 应 的 端 口 ， 这 个 过 程 为 “转 发”。
芯片设计的关键技术在于 ＭＡＣ 帧的帧头信息 提取和 ＭＡＣ 地址表的管理。对于帧头信息的提取
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５２
５１￣￣４９ ４８￣￣１
０
保留比特 老化标志 端口编号 ＭＡＣ 地址 有效标志
端 口 接 收 到 ＭＡＣ 帧 后 ， 提 取 ＭＡＣ 帧 的 源 地 址， 并在表中查找与之对应的条目， 如果没有找到， 就把源地址和接收到该帧的端口编号捆绑成一条 新的 ＭＡＣ 地址索引信息， 存储到 ＭＡＣ 地址索引表 中， 这个过程为“学习”。通过学习， 就可以知道主机 的地址和端口的映射关系。有时， 还需要记录 ＶＬＡＮ 和端口的对应信息， 建立 ＶＬＡＮ 索引表。
光功率控制． 应用天地， ２００４， （８）： １～２
ｎ
" !（Ｋｉ－ Ｋ ）
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ｉ＝１
ｎ－ １
／ Ｋ ×１００％
［６］ 孙肖子 等． 模 拟 电 子 技 术 基 础． 西 安： 西 安 电 子 科 技 大 学出版社， ２００２
根 据 测 试 数 据 计 算 在 ０ ～＋７０ｍＡ 范 围 内 ， Ｓ＝ 李 莺 女， 硕士研究生。研究方向为专用集成电路设计。
０．０７‰， 在－ ７０ｍＡ～０ 范围内， Ｓ＝０．０４‰。
耿增建 男， 研究员。研究方向为专用集成电路设计。
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（上接第 ８１ 页）
ＳＲＡＭ 存储空间。
设 计［Ｊ］． 电 气 电 子 教 学 学 报， ２００４， ２６（２）： ５７￣６１． ［２］ Ｓｉｄｎｉｅ Ｆｅｉｔ． 组 网 用 网 ： 高 速 局 域 网 ［Ｍ］． 北 京 ： 电 子
端口记录模块要处理 ８ 个端口接收到 ＭＡＣ 帧 的实际转发工作。根据学习转发控制模块给出的转 发端口号、ＶＬＡＮ 以及优先级等信息， 生成用于发送 的端口信息， 提供给发送描述符模块。发送描述符 模块根据得到的信息生成发送描述符， 发送到 ＭＡＣ 帧处理模块， 完成转发操作。
发送指示信号根据端口记录模块发来的处理 完成信号， 以及描述符发送完成信号生成发送到内 存管理的处理完成信号， 内存处理单元根据这个信 号 和 来 自 ＭＡＣ 帧 处 理 单 元 的 释 放 使 能 信 号 释 放
帧头信息分析模块接收到 ＭＡＣ 帧处理模块送 来的 帧 头 信 息 后 ， 提 取 出 目 的 地 址 、源 地 址 、ＶＬＡＮ 以及 ＩＰ 头中的优先级等信息， 并将其转发到学习转 发 控 制 模 块 。 并 根 据 帧 头 、帧 尾 以 及 帧 有 效 信 号 产 生帧状态指示信号发送到端口记录模块。
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包括判断是以太网帧还是 ８０２．３ 帧， 提取源地址和 目的地址、ＶＬＡＮ 信息和一些 ＩＰ 帧头信息， 计算当 前帧的优先级， 根据不同的帧头信息进行相应的协 议处理等。
为了实现 １０００Ｍｂ／ｓ 的 ＭＡＣ 帧交换， ＭＡＣ 地址 表必须满足三个要求： 必须能在几个时钟周期内查 找到 ＭＡＣ 地址相应的端口号， 以满足千兆以太网 需求的高吞吐量； 必须及时 “学习”到新 ＭＡＣ 帧的 地址索引信息； 老化掉长时间没有访问到的 ＭＡＣ 地址索引信息。为了达到这些要求， 本芯片中采用 了 ＨＡＳＨ［５］算法。
元器件， １９９９， ７（７）： ２～３
［４］ 崔 小 欣． 一 种 数 字 种 频 上 变 频 器 的 设 计 与 实 现． 微 电 子
学与计算机， ２００６， ２３（１）： １￣５
［５］ 王 辉 等． 基 于 斩 波 自 动 稳 零 运 算 放 大 器 的 激 光 器 平 均
⑵ 计算非线性度 Ｓ 的公式如下：