2 基于FPGA的千兆以太网设计
的高度灵活性和可扩展性，同时为利用FPGA进行嵌入式开发带来了可能。
目前，以PC机平台的千兆以太网的开发已经相对成熟，而近些年来随着FPGA、DSP和ARM等嵌入式芯片的处理能力的提升，基于这些芯片的千兆以太网的开发则处于起步阶段[3]。在这类系统的实现中，千兆以太网的MAC子层作为硬核集成在芯片中通过编程来实现，不仅有效降低了系统的成本，实现高效的传输性能，而且可以缩小PCB制板的大小。因此研究基于FPGA的千兆以太网技术，在大吞吐量数据传输通道、实时数据服务和实时信号处理等方面都将有着广泛的应用前景和潜在的经济价值，更进一步地对于千兆以太网在嵌入式系统中的应用，都具有很好的推进作用和实际意义。
1.2国内外研究现状
近些年来，根据一些国内外公开发表的文献，在基于FPGA的千兆以太网的数据传输的研究与应用方面，国内外的各机构已经有了一定的研究成果。
南京信息工程大学王胜杰和王建的基于千兆以太网的PC机与FPGA的高速数据传输，使用WinPcap自定义通信帧格式，实现一种PC机与FPGA之间双向高速数据传输的方法。但该研究绕过了TCP协议和IP协议，只涉及到链路层和物理层，与标准的千兆以太网接入系统无法很好的结合，只能面向特殊的应用。
在Xilinx官方公布的文档xapp1043中，Xilinx公司与Treck公司合作，实现了高效的Treck商业化以太网协议栈，可以实现目前以太网上常用的几乎所有的协议[4]。其文档测试的结果表明，在扩展的MTU大小达到9000Byte的模式下，可以实现惊人的922Mbps的纯网络速度。但该实现是基于Treck商业版的TCP/IP协议栈，且目前Xilinx公司已经去掉与Treck的合作，并不适合普通以太网的应用。
尽管Altera公司现在能提供关键通信协议的FPGA IP支持，但是集成以太网协议的IP核只可以在Altera的一些高端FPGA上实现，如Stratix系列[5]。对于低端的FPGA，如FLEX系列仍然不能实现。尽管作为Altera IP
第一章 绪论 3
核合作伙伴之一的IXXAT提供工业以太网开发套件，但费用是相当高的，近乎上百万美元。因此，自行开发出合理的协议堆栈、MAC、TCP/IP协议堆栈以及接口应用将具有很重大的意义和经济价值。
综上所述，目前国内外实现的千兆以太网主要以单芯片或单系统环境，趋向于以底层链路层以下的协议为基本设计起点完成千兆以太网的数据传输功能，且很多研究与应用都是面向专用的场合，并不适合普通用户的开发。面对FPGA的快速发展，在基于片内处理器的千兆以太网高速数据传输还很少，且使用处理器实现网络传输的TCP/IP协议正好与目前大量使用的以太网网络能快速兼容地结合，可以很容易用于商业产品的生成。因此，本课题的研究，对于千兆以太网在嵌入式高速数据网络通信技术的实际应用，以及进一步在其他嵌入式系统中的应用，都具有很好的应用前景和潜在的经济价值。
1.3论文内容和论文组织结构安排
本文在章节上一共分为五章，论文的组织结构安排如下:
第一章为绪论部分，主要介绍了FPGA中接入千兆以太网技术的研究背景以及目前国内外的研究现状，以及本论文的研究内容和论文安排。
第二章主要阐述了以太网基础理论的研究
第三章主要阐述以太网数据传输硬件部分设计与实现。 第四章主要阐述以太网数据传输软件部分设计与实现。
第五章主要阐述了本文的总结和研究展望，对本文进行总结，并在设计方法和性能提升上提出一些改进的方法。
4 基于FPGA的千兆以太网设计
第二章 千兆以太网理论基础 5
第二章 千兆以太网理论基础
本章首先介绍了以太网的发展历程和千兆以太网的标准内容，按照标准的分层原理介绍了其MAC层、GMII接口层和PHY层的实现原理，然后提出了一种基于FPGA的嵌入式千兆以太网的实现架构，以使用底层PHY硬件芯片实现MAC功能和使用LwIP嵌入式网络协议栈实现上层TCP/IP通信协议的构想来说明实现千兆以太网的通信系统平台的基本架构。
2.1千兆以太网标准
千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术，它和现在已经大量使用的标准以太网（10Mbps）以及百兆以太网（100Mbps）技术一样，都使用以太网所定义的技术规范，比如：CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE802.3标准中所定义的管理对象等[6]。同时，千兆以太网作为以太网络的一个组成部分，还支持流量管理技术，使得它提供的服务质量能得到保证，这些技术规范包括IEEE802.1P第二层优先级、第三层优先级的QoS编码位、特别服务和资源预留协议(RSVP)。目前，千兆以太网已经发展成为主流网络技术，大量的网络工作人员和普通用户从中受益不浅.
以太网的官方标准为IEEE802.3，IEEE802.3工作组有数百名工作人员从事千兆以太网标准的制定，他们来自十几家生产网络产品的公司，力图将以太网的速度提高到1000Mbps以上。1996年7月，IEEE成立了802.3z千兆以太网特别工作组，这一工作组负责开发1000Mbps千兆以太网标准。1997年1月，通过了IEEE802.3z第一版草案；1997年2月3日，IEEE确定了千兆以太网的核心技术，1998年6月正式通过千兆以太网标准IEEE802.3z。1999年6月，正式通过了IEEE802.3ab标准（即1000Base-T），至此可以将平常使用的双绞线用于千兆以太网中。
图2.1给出了IEEE802.3z中千兆位技术层次模型和OSI7层模型之间的相互关系。
6 基于FPGA的千兆以太网设计
图2.1 802.3z10/100/1000MbpsDTE层次模型
IEEE802.3z标准任务组的首要目标之一就是保持与现在的10Mbps和100Mbps标准的兼容性。从图2.1可以看出，在结构上百/千兆以太网的差别并不大，仅从百兆以太网的4位并行MII接口变为8位并行的GMII接口；二者的自动协商接口有所不同，百兆以太网中的协商功能位于PMD子层之下，而千兆以太网则融合在PCS子层之中；与十兆以太网相比，百/千兆以太网都使用并行的介质无关接口取代十兆以太网的串行AUI接口
[7]
。另外，千兆以太网物理介质接入子层PMA的上下界面分别为10比特
的并行和串行接口，因此PMA需完成串/并接口间的转换。
根据千兆以太网标准的定义，千兆以太网可以支持多种连接媒体和大范围的连接距离。按照传输介质的不同，千兆以太网可分为以下4种： 1. 1000BASE-LX：基于1300nm的单模光纤标准，使用8B/10B编解码方式，最大传输距离为5000米。
2. 1000BASE-SX：基于780nm的多模光纤标准，使用8B/10B编解码方式，最大传输距离为300米到500米。
3. 1000BASE-CX：基于铜缆的标准，使用8B/10B编解码方式，最大传输距离为25米。
4. 1000BASE-T：使用非屏蔽双绞线，使用1000BASE-T铜物理层Copper PHY编码解码方式，最大传输距离为100米。