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基于ARP请求和应答的TSE-MAC功能性验证          Qsys中集成了以太网MAC的IP核（姑且称它TSE-MAC），正所谓TSE（Triple Speed Ethernet），可以配置工作在10/100/1000Mbit的工作模式下。本文就要来试试它的功能性，自己动手，丰衣足食，搭个小系统，基本框图如下。   TSE-MAC中带了PHY芯片各个寄存器配置的MDIO接口控制逻辑，用户可以通过Avalon-MM总线相应的读写PHY芯片的寄存器。同时，MAC的一些配置寄存器也是通过Avalon-MM总线访问控制。因此，本系统也挂了个NIOS II上去，用于MAC初始化配置以及必要的PHY芯片控制。 其实大家最关注的应该是TSE MAC的数据流如何进行收发，既然是Altera的IP，那么自然要用到他们主打的Avalon-ST总线。RX和TX都有各自的Avalon-ST接口。本系统中，RX端连接到了一个256*8bit的onchip-RAM上，设计了一些逻辑，让Avalon-ST送出的数据自动的循环写入RAM中。通过JTAG接口，Quartus II中有个很实用的在线调试工具In-system Memory Content Editor可以实时的查看到当前RXRAM的所有数据情况。同样的，TX端也是连接到一个64*8bit的onchip-RAM上，也设计了一个简单的定时（2s多）发送功能，它自动读取TXRAM中的数据并通过Avalon-ST接口送往MAC，TXRAM中的数据也可以通过In-system Memory Content Editor在线写入。In-system Memory Content Editor真得是个很实用的小工具，大家在FPGA的调试和验证中可以非常灵活的使用它，力荐。          如图所示，这个仿真波形是发送端的Avalon-ST将TXRAM中存储的初始化帧数据发送给MAC。           我们后面希望通过发出一个ARP请求，然后看看PC端传回来的ARP应答，验证MAC的功能。先来简单的了解ARP请求的帧格式。            下面是我们写入到TXRAM中的一帧60Byte的ARP请求数据，正好可以对照上面给出的ARP帧请求定义。 //以太网首部（14Byte） 0000: ff ff ff ff ff ff                                 //目的主机为广播地址 0006: 00 1C 23 17 4A CB                  //源主机MAC地址为00-1C-23-17-4A-CB 000c: 08 06                                            //上层协议类型0x0806表示ARP //ARP请求（28Byte） 000e: 00 01                                           //硬件类型0x0001表示以太网 0010: 08 00                                           //协议类型0x0800表示IP协议 0012: 06 04                                           //MAC地址长度为6； IP地址长度为4 0014: 00 01                                           // op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址 0016: 00 1C 23 17 4A CB                  //源主机MAC地址为00-1C-23-17-4A-CB 001c: c0 a8 01 69                                 //源主机IP地址（192.168.1.105） 0020: 00 00 00 00 00 00                   //目的主机MAC地址未知，全0待填写 0026: c0 a8 01 64                                //目的主机的IP地址（192.168.1.100） //填充数据（18Byte）填充aoc c0 a8 01 000 002c: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 003c: 00 00          目的主机便是我们的PC，它的MAC地址和IP地址都不是瞎编的，在目标PC的cmd中敲击“ipconfig /all”命令，如图所示。我们可以看到这个目标主机的MAC地址为2C-27-D7-1F-1D-E1，IP地址为192.168.1.100。假设我们只知道目的主机的IP地址，而不知道MAC地址，那么上面的ARP请求中就给出目的主机的IP地址，但使用广播MAC地址进行寻址。理论上，目的主机在接收到对他的ARP请求后，会产生一个ARP应答帧给源主机，实际是否如此，随后我们便可验证。            下一步，该连接的连接，该下载的下载，该运行的运行……在一切就绪之后，我们打开In-system Memory Content Editor，确认发送端RAM的数据是ARP请求帧，接着让它运转起来，如图所示，下面是TXRAM的ARP请求帧数据，上面是256Bytes的RXRAM，已经不断的收到了目的主机发回来的ARP应答了。有兴趣大家可以自己对照ARP应答帧格式的一些细节，这果然是一个非常“理想化”的应答帧（简直是废话，否则咱的IP如何正常收发啊？）。            回到目标PC，我们再来输入一个命令“arp -a”，此时，我们看到发出ARP请求的源主机已经出现在了它的动态列表中了，而且IP和MAC别无二致。            最后，我们再借助一个抓包工具解析下FPGA发过来的ARP请求帧。如下图所示。            简单的TSE-MAC功能性验证，果然名不虚传，“至少还是可以用的”（又是不折不扣的一句大废话）。不过，想表达的是，调试和验证的思路可以有，简单实用的辅助工具也可以有；想深入了解和熟悉一个陌生的接口或复杂的协议，FPGA则必须有。哈哈！

TSE的loopback功能设置和调试 所谓loopback，便是TSE的收发形成一个闭环，通常是在初步调试验证MAC的基本功能时使用。TSE的这个loopback功能的开启可有两道“门槛”，一个不能少，不仅软件编程开启，而且硬件也有“玄机”，一不留意恐怕你死活也搞不定它。尤其是当原型调试时，你还真搞不懂是loopback没配置好还是MAC的收发不工作。 废话不多说，直接上图。首先在配置TSE的IP组件时，需要勾选MAC Options页面的Enable local loopback on MII/GMII/RGMII选项，默认可是不勾选的，所以需要特别开启。在Small MAC模式下，没有loopback功能，所以无从设置。 在User guide中对此有专门说明。 其次，在软件编程时，使能Config寄存器的bit15，使LOOP_ENA功能被开启。 具体编程操作时，可以参考如下顺序进行操作。 初始化的代码如下。 //Ethernet初始化 void ethernet_init(void) { alt_u32 temp; //MDIO phy地址设置 = 5‘b10000（参考88E1111_datasheet page63） IOWR_ALTERA_TSEMAC_MDIO_ADDR0(MY_TSE_BASE,0x11); IOWR_ALTERA_TSEMAC_MDIO_ADDR1(MY_TSE_BASE,0x11); //MAC配置寄存器初始化 //关闭MAC数据流接收和发送使能位 do { IOWR_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE,0x00802220); temp = IORD_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE); } while(temp != 0x00800220); //MAC FIFO配置 /*  Tx_section_empty = Max FIFO size - 16 Tx_almost_full = 3 Tx_almost_empty = 8 Rx_section_empty = Max FIFO size - 16 Rx_almost_full = 8 Rx_almost_empty = 8 //Cut Throught Mode, Set this Threshold to 0 to enable Store and Forward Mode Tx_section_full = 16 //Cut Throught Mode, Set this Threshold to 0 to enable Store and Forward  Mode Rx_section_full = 16 */ IOWR_ALTERA_TSEMAC_TX_SECTION_EMPTY(MY_TSE_BASE,(MY_TSE_TRANSMIT_FIFO_DEPTH-16)); IOWR_ALTERA_TSEMAC_TX_ALMOST_FULL(MY_TSE_BASE,3); IOWR_ALTERA_TSEMAC_TX_ALMOST_EMPTY(MY_TSE_BASE,8); IOWR_ALTERA_TSEMAC_RX_SECTION_EMPTY(MY_TSE_BASE,(MY_TSE_RECEIVE_FIFO_DEPTH-16)); IOWR_ALTERA_TSEMAC_RX_ALMOST_FULL(MY_TSE_BASE,8); IOWR_ALTERA_TSEMAC_RX_ALMOST_EMPTY(MY_TSE_BASE,8); IOWR_ALTERA_TSEMAC_TX_SECTION_FULL(MY_TSE_BASE,0); IOWR_ALTERA_TSEMAC_RX_SECTION_FULL(MY_TSE_BASE,0); //MAC地址配置 //MAC address is 00-1C-23-17-4A-CB /* Low word (bits 31:0) of MAC address */ IOWR_ALTERA_TSEMAC_MAC_0(MY_TSE_BASE,0x17231c00); /* High half-word (bits 47:32) of MAC address. Upper 16 bits reserved */ IOWR_ALTERA_TSEMAC_MAC_1(MY_TSE_BASE,0x0000cb4a); //MAC功能配置 /*  //Maximum Frame Length is 1518 bytes Frm_length = 1518 //Minimum Inter Packet Gap is 12 bytes Tx_ipg_length = 12 //Maximum Pause Quanta Value for Flow Control Pause_quant = 0xFFFF //Set the MAC with the following option: // 100Mbps, User can get this information from the PHY status/PCS status //Full Duplex, User can get this information from the PHY status/PCS status //Padding Removal on Receive //CRC Removal //TX MAC Address Insertion on Transmit Packet //Select mac_0 and mac_1 as the source MAC Address Command_config Register = 0x00800220      */ IOWR_ALTERA_TSEMAC_FRM_LENGTH(MY_TSE_BASE,1518); IOWR_ALTERA_TSEMAC_TX_IPG_LENGTH(MY_TSE_BASE,12); IOWR_ALTERA_TSEMAC_PAUSE_QUANT(MY_TSE_BASE,0xffff); IOWR_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE,0x00800220); //MAC复位 //Set SW_RESET bit to 1 do { IOWR_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE,0x00802220); } while(IORD_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE) != 0x00800220); //MAC数据流发送和接收使能 do {   //BIT15--loop_enable=1 IOWR_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE,0x00808223); temp = IORD_ALTERA_TSEMAC_CMD_CONFIG(MY_TSE_BASE); } while(temp != 0x00808223); printf("Ethernet initial successful.\n"); } TSE的用户收发端的Avalon-ST接口都连接到了onchip-RAM上，实时观测到他们的收发数据帧是完全一致的。说明这个loopback功能和TSE收发已经完全正常了。

TSE-MAC的FIFO工作机制   最近在这条Altera三速以太网（TSE）的MAC，目前基本能够从这个挂在MAC上的Avalon-ST总线上收发PC的IP包了。 MAC是个试用版的IP核，内部框图如下。它通过MII/GMII/RGMII和FPGA外部的PHY交换数据。内部做了一些MAC该做的事，然后通过两个FIFO分别缓存以太网的收或发数据包。这两个FIFO读写的一端自然是MAC，另一端则是Avalon-ST总线。   再说这两个FIFO的管理也很有学问，它要实现的功能是在尽可能不丢包（FIFO不能溢出或空读）的情况下收发数据。如图所示，这是RX FIFO用于控制的几个寄存器示意图。   这里有4个寄存器。User guide上有如下的描述。   光是看看这些枯燥的文字恐怕很难理解清楚它的工作机理。如果自己动手操作一把，遇上几次收发故障，那么再回头消化下估计就不难了。 简单的来看，almost empty和almost full是实际上MAC希望提醒Avalon ST总线或PHY端（也可以理解为远端的以太网设备）注意当前FIFO真得快full或empty了。当然了，almost empty有一种情况不会发出预警，那便是在FIFO中已经出现了当前收发帧数据的eop（end of packet），这种情况下会继续读FIFO直到eop；almost full预警发出时，如果读FIFO端仍没有准备好要读FIFO，那么当前帧可能就要遭受丢弃的厄运了。 与此类似，section empty和section full则不是绝对的FIFO的empty或full状况指示，个人的理解，这两个寄存器主要是设计者根据PHY端和Avalon-ST端的实际速率状况，相互提前做出指示，让另一方能够尽早做出相关操作的报警。Section full寄存器如果设置为0时，则使能store and forward模式，该模式下，完整的接收一整个帧的数据时则发起Avalon-ST的读操作。