基于FPGA的UDP千兆以太网光通信

概述

本文介绍一个FPGA开源项目：UDP千兆以太网光通信。利用SFP接口，可以通过使用SFP转RJ45模块或者直接使用光纤进行以太网通信。

本工程主要是围绕“Tri Mode Ethernet MAC”IP核以及“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”IP核建立。其中，“Tri Mode Ethernet MAC”IP作为以太网MAC，通过GMII接口与“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”IP核进行核间通信。

软硬件平台

软件平台 ：Vivado 2017.4;

硬件平台 ：XC7Z035FFG676-2;

IP核参数配置

Tri Mode Ethernet MAC

• 该工程使用千兆速率，选择 1Gbps ；

• 接口选择 **Internal ** ，因为该IP核通过GMII接口与“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”通信，不需要产生外部物理接口；
• MAC速率选择 1000Mbps ，与“1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII”1000BASEX通信标准匹配；
• 内部时钟源选择1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核提供的user clk2；
• 选择 AXI-Lite 接口，对IP核参数进行配置；
• AXI-Lite接口时钟同样选择user_clk2，即 125Mhz ；
• Shared Logic与Features保持默认即可。

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII

• Ethernet MAC选择 Tri Mode Ethernet MAC ；

• 该IP核采用1000BASEX模式，因此将速度设为 1G ；

• 选择 **1000BASEX **标准；

• 物理接口为 **GTX **收发器作为SFP接口；
• 时钟源选择GTX收发器的输出时钟 **TXOUTCLK ** ；
• 不使用MDIO接口配置IP核；
• 选择自协商功能；

• Shared Logic选择将共享逻辑包含在IP核内；

接口互联

上述两个IP核之间通过GMII接口进行通信，Tri Mode Ethernet MAC工作时钟源采用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII输出的125Mhz的userclk2，GMII接口各信号与userclk2时钟同步。

功能测试

该Vivado工程实现的功能为千兆以太网光纤数据回环传输。在电脑端通过网络调试助手向FPGA板卡发送长度小于1472字节的数据包，FPGA收到数据后解析、缓存用户数据，最后回传给电脑端，数据传输方案如下图所示：

其中uiudp_stack数据位宽为64bits，而Tri Mode Ethernet MAC数据位宽为8bits，因此二者之间需要插入FIFO进行数据位宽以及时钟域转换。

通过wireshark软件对电脑和FPGA之间传输的UDP数据包进行捕获，部分结果如下图所示：