（检测技术与自动化装置专业论文）面向soc以太网mac层ip软核研究与设计.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 本文主要阐述了面向s o c 以太网m a c ( 介质访问控制) 层i p 软核研究与设 计，该i p 软核是为了兼容s o c 系统中的片内总线，采用了一种开放性的w i s h b o n e 总线作为主机访问接口。本文的设计其实就是为s o c 主机的上层网络协议和外部 的以太网p h y ( 物理) 层之间搭建一个通信的桥梁。 首先，本文介绍了i e e e8 0 2 3 以太网m a c 协议，分析了当前s o c 技术所面 临的问题，再对传统的i p 核设计方法作了相应的改进，得出一种u 型i p 核设计 方法。同时也介绍了v e r i l o gh d l ( 硬件描述语言) 及i p 核开发工具：q u a r t u s i i6 0 集成开发环境和m o d e l s i ms e6 1 仿真测试软件。 其次，采用u 型i p 核设计方法对以太网m a c 层i p 软核先进行t o p d o w n 自 顶而下的设计，根据以太网通信功能设计出整体i p 软核的内部功能模块结构，划 分好各模块间的连接关系之后，继续将各模块进行下一层的划分，直到最小模块 为止。再运用v e r i l o gh d l 语言及i p 核开发工具对划分好了的最小子模块进行 b o t t o m u p 自底而上的描述、编译、测试、验证得到所有最小子模块，经过例化、 连接、描述后得上一层子模块，直到得到整体i p 软核为止。 最后，设计出整体i p 软核的测试方案，用v e r i l o gh d l 语言编写相应的测试 平台t e s t b e n c h 。再用m o d e l s i ms e6 1 仿真软件对整体以太网m a c 层i p 软核进 行模拟功能仿真测试。从仿真测试结果分析得出：设计完全符合要求，达到了预 期的设计目标。 关键词：s o c ，以太网，m a c ，i p 软核 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yi l l u s t r a t e st h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es o f t i pc o r eo ft h e e t h e r n e tm a cl a y e rf o rs o c 。i no r d e rt om a k et h es o f ti pc o r ec o m p a t i b l ew i t ht h eb u s i nc h i po ft h es o cs y s t e m ，t h ed e s i g n e ra p p l i e sa no p e nw i s h b o n eb u sa st h ea c c e s s i n t e r f a c eo ft h eh o s t i nr e a l i t y , t h ed e s i g ni nt h i st h e s i si st op l a yt h er o l eo fab r i d g e b e t w e e nt h eh i g h 1 e v e ln e t w o r kp r o t o c o lo ft h eh o s to ft h es o ca n dt h ee t h e m e tp h y l a y e rt h a ti st h ee x t e r n a lp a r to ft h eh o s t f i r s to fa 1 1 t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ei e e e8 0 2 3e t h e r n e tm a c p r o t o c o la n d a n a l y s e st h ec u r r e n tp r o b l e m se x i s t i n gi nt h es o ct e c h n i q u e t h e nt h ea u t h o rm a k e s s o m ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t so nt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d so ft h ei pc o r e ， t h u so b t a i n i n gan e wu m o d e ld e s i g nm e t h o do ft h ei pc o r e m e a n w h i l e ，t h ea u t h o r a l s oi n t r o d u c e st h ev e r i l o gh d l - ac o m p u t e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o rh a r d w a r e d e s c r i p t i o na n dr e c o m m e n d st w od e v e l o p m e n tt o o l so ft h ei pc o r e ，t h e ya r e ：t h e s o f t w a r eo fq u a r t u si i6 0i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h es o f t w a r eo f m o d e l s i ms e6 1s i m u l a t i o nt e s t i n g s e c o n d l y ，b ya d o p t i n gt h ed e v e l o p e du m o d e ld e s i g nm e t h o do ft h ei pc o r e ，t h e a u t h o rm a k e sat o p d o w nd e s i g no ft h es o f ti pc o r ei nt h ee t h e r n e tm a c l a y e ra n d d e v i s e st h ei n t e r i o rf u n o t i o n a lm o d u l es t r u c t u r e so ft h ew h o l es o f li pc o r ea c c o r d i n gt o t h ec o m m u n i c a t i v ef u n c t i o n so ft h ee t h e r n e ta tf i r s t ；t h e na f t e rm a k i n gc l e a rt h el i n k s b e t w e e ne v e r yd i v i d e dm o d u l e s ，t h ea u t h o rg oo nw i t ht h ed i v i s i o no fe v e r ym o d u l e s i n t os m a l l e ro n e s t i l le a c ho ft h e s em o d u l e si sd i v i d e di n t ot h es m a l l e s to n e s t h e n ，t h e a u t h o rm a k e sb o t t o m u pd e s c r i p t i o n ，c o m p i l a t i o n ，t e s t i n ga n dc h e c k i n go ft h ed i v i d e d s m a l l e s tm o d u l e sb yu s i n gv e r i l o gh d la n dt h ed e v e l o p m e n tt o o l so fs o f ti pc o r e ，t h e n t h ea u t h o rg e t st h es m a l l e rm o d u l e sa f t e rt h ee x e m p l i f y i n g ，l i n k i n ga n dd e s c r i b i n go f t h es m a l l e s to n e s t i l lt h ea u t h o rg e t st h ew h o l es o f ti pc o r e a tl a s t t h ea u t h o rd e s i g n st h et e s t i n gs c h e m eo ft h ew h o l es o f l i pc o r ea n d p r o g r a m st h ec o r r e s p o n d i n gt e s t b e n c hb yu s i n gv e r i l o gh d l t h e n t h ea u t h o rm a k e sa m o d e ls i m u l a t i o nt e s to nt h ew h o l es o f ti pc o r eo ft h ee t h e r n e tm a cl a y e rb ya p p l y i n g t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fm o d e l s i ms e6 1 t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w st h a tt h ed e s i g n c o m p l e t e l yr e a c h e st h er e q u i r e m e n t sa n da t t a i n st h ee x p e c t e dg o a l k e yw o r d s ：s y s t e mo nc h i p ，e t h e r n e t ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，s o f ti pc o r e 一 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在程小辉教授指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了 谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后 遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期：塑2 ：z ： 坌 桂林工学院硕士学位论文 1 1 项目背景及研究意义 第1 章引言 1 1 1 项目的来源与背景 本论文课题是面向s o c 以太网m a c 层i p 软核研究与设计，来源于广西自然科 学基金项目，项目的名称为：基于面向对象的s o c 中的i p 核复用技术研究，项目 编号：桂科自0 4 4 7 0 9 9 。 随着集成电路制造工艺进入深亚微米后，在单个芯片上就可以容纳足够多的 晶体管来构成系统级的设计技术使s o c ( s y s t e mo nc h i p 片上系统) 成为了现实。 便携设备市场的高速发展要求产品对市场具有快速的反应能力，由于设计能力的 提高相对落后于工艺技术的进步，缩短产品开发周期成己为设计者最为关注的问 题【“。基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 知识产权) 核的设计方法可以大大地提高 设计中的复用层次、缩短产品开发周期已成为s o c 设计中的主流。 在i c 设计中，i p 核成为独立技术的时间虽然不长，但发展却非常迅速。i p 核技术受到广泛重视的主要原因是它为s o c 的设计提供了有效途径，是s o c 的技 术支撑【2 】。当然，在国内开发出具有自主知识产权的i p 核模块还面临着许多问题， 如核心算法的优化、不同层次模块的建立、模块的可复用问题以及i p 核模块的标 准化问题等。因此，设计一个可复的i p 核模块，必须要有好的设计思想和算法、 先进的开发工具、科学的设计流程、符合标准的接口方式、严格的测试验证手段、 完善的文档以及良好的灵活性、易用性p j 。 然而，在当今的信息时代，人们对网络的要求越来越高，希望我们所用的设 备可以通过网络来共享网络资源。这样一来开发具有网络通信接口的s o c 产品将 会具有很好的市场前景。考虑到目前以太网是应用最为广泛的网络技术，所以本 文对面向s o c 以太网m a c 层i p 软核进行研究与设计。 1 1 2 项目的研究意义 在计算机网络发展历程中，以太网可以说是众多网络技术中最具影响力的一 种。以太网技术不仅随着通信和计算机技术不断发展，而且还对新的网络技术有 着非常重要的影响。同样，开发具有以太网接口的低功耗、低成本、小体积、高 速度的s o c 产品也将大大推动现代化网络技术的发展。 当前s o c 产品设计有两种发展趋势，一种是结合自项丽下与自底而上的系统 设计方式，另一种是基于平台的方式。基于平台的设计方式具有最大限度地利用 了i p 核的特点，可以大大地缩短产品设计周期、降低风险、提高效率，是开发现 桂林工学院硕士学位论文 代化s o c 产品的最有效、最快捷的途径。 未来s o c 的发展领域及预期的市场空间主要有：数据通信网建设，卫星通信 系统( 含卫星移动通信) 及设备制造，数字移动通信手机、基站及交换设备制造。 路由器、集线器、网关、网卡等网络设备制造高性能微型电子计算机制造，数字 音视频广播系统设备制造，数字电视产品的制造，汽车电子产品制造等【4 1 。在这些 s o c 产品中有很多都要用到以太网技术，所以开发可复用性的以太网m a c 层i p 软 核对s o c 产品开发将具有重要的意义。 1 2 国内外研究状况 在国外，i p 核专营公司日见增多。目前，自主开发和经营i p 核的公司有英国 的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 、a m p m o i l 以及美国的d e s o c 等。以a r m 公司 为例，从1 9 8 5 年设计开发出第一块r i s c 处理器i p 核模块，到1 9 9 0 年首次将其 i p 核专利权转让给a p p l e 公司，一直到2 0 0 0 年全球共有诸如i b m 、t i 、p h i l i p s 、 i v e c 、s o n y 等几十家公司采用其i p 核开发自己的产品只用了不到1 5 年的时间。 现在国外厂商如c a s t ，l a t t i c e ，x i l i n x 等已拥有自行研制的多接口总线的以太 网m a c 层i p 软核1 5 1 “。 在国内，从总体来说，在i p 核的开发和应用方面做的还不够。但是，近年来 我国也己经在i p 核产业上有了很大的动作。科技部于2 0 0 0 年启动了“十五”国 家8 6 3 计划超大规模集成电路s o c 专项工作。希望通过这一努力，初步建成具有 自主知识产权、品种较为齐全和管理科学的国家级i p 核库，并掌握国际水平的s o c 软硬件协同设计、i p 核复用和超深亚微米集成电路设计的关键技术。在2 0 0 0 年， 国内各类i p 核的需求量约在1 9 亿个左右。到2 0 0 5 年，国内各类i p 核的需求总 量将达到1 0 2 1 亿个，基本上与世界4 0 的增长速度相同。同年的8 月2 3 日，信 息产业部软件与集成电路促进中心( c s i p ) 联合集成电路产业链上各个环节的合作 伙伴，以“从i p 核标准开始”为主题，召开了“中国硅知识产权业联盟”成立大 会。目| j i ，c s i p 在i p 核领域的工作重点是立足整个集成电路产业链，从i p 核设 计、i p 核标准化、i p 核评估测试、流片等一系列环节中开展服务工作。c s i p 已经 初步建成国家i p 核库，共收集了1 9 大类1 0 0 0 多个i p 核、超过9 0 0 个标准单元 库的i p 核模块。但在c s i p 的i p 核库中还没有以太网m a c 层i p 软核产品l ”。 1 3 本文主要内容与设计目标 1 3 1 主要设计内容 本课题的主要内容是研究与设计面向s o c 以太网m a c 层i p 软核，该i p 软核 - 2 - 桂林工学院硕士学位论文 具有一定灵：| 舌性、可复用性和可裁减性等，能够厂+ 泛地适用于s o c 中的可重构设 计中。本文涉及的主要内容如下： l 、分析i e e e8 0 2 3 以太网协议和s o c 中w i s h b o n e 片内总线协议： 2 、为了达到以太网m a c 层i p 软核设计的目的，本文研究了基于i p 核技术 的s o c 的设计方法与所面l 临的问题，着重分析了传统i p 核设计方法的优缺点，提 出了一种适用于本设计的u 型i p 核设计方法： 3 、对面向s o c 以太网m a c 层i p 软核进行设计，采用u 型i p 核设计方法对 其进行t o p d o w n 自项向下地设计，在设计的过程中采用了高层次设计思想，将其 所有的层次模块及结构设计好； 4 、采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言对i p 软核进行b o t t o m u p 自底而上的实现、 测试验证，最后得到整体以太网m a c 层i p 软核； 5 、设计整体i p 软核测试方案、搭建相应的测试平台t e s t b e n c h ，完成对以太 网m a c 层i p 软核的功能测试，同时也对测试的结果作了仔细的分析与总结。 1 3 2 设计目标 在接入网技术方面，对以太网i e e e8 0 2 3 协议的研究和设计有着非常的必要 性。所有的接入网实质上就只包含了p h y ( 物理) 层和m a c 层两个部分，相对于 不同介质的物理层传输，m a c 层协议相对的改动要少得多。在传统的o s i 七层模 型中，m a c 层相当于数据链路层的作用，负责对上层的数据包和物理层的位流数 据进行帧的封装与分解以及流量控制、循环校验等一系列功能。由此，在现代的 s o c 系统级设计中，设计出一个基于i e e e s 0 2 3 协议的以太网m a c 层i p 软核是 本次课题的最终目标，具体要达到的设计指标如下： 实现自适应网络通信，即速度可是1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s ； 实现m a c 发送数据帧到p h y 层； 实现m a c 接收数据帧到主机； 实现m a c 在半双工方式下以c s m a c d 访问信道； 实现m a c 在全双工方式下通过m a c 控制层进行流量控制； 实现m a c 层和p h y 之间的接口设计； 选取w i s h b o n e 片内总线实现m a c 层和主机之间的接口。 最后设计出的i p 软核是由规范的v e r i l o g h d l 语言描述出的r t l 代码、符合 i e e e 8 0 2 3 标准协议、具有接口通用性和可裁减性，在s o c 设计中具有很强的可 复用性和可扩展性。 桂林工学院硕士学位论文 1 4 论文结构安排 本论文主要对i e e e 8 0 2 3 标准协议与w i s h b o n e 总线协议进行研究分析，结合 现代s o c 与i p 核设计方法、验证技术，实现一种可复用的、面向s o c 的以太网 m a c 层i p 软核，具体论文结构安排如下： 第l 章，阐述了本课题的研究背景、意义、内容、目标及论文结构。首先介 绍了课题的来源及相关背景知识，然后论述了课题的研究意义，最后对本课题的 主要研究内容和设计目标及论文结构进行论述。 第2 章，介绍以太网m a c 协议和i p 核相关核技术。将以太网m a c 协议作为 研究对象，兼顾s o c 技术及其面临的问题，从传统的i p 核开发和验证所需的方法 与技术入手，改进出一种u 型i p 核设计方法。同时还介绍了v e r i l o gh d l 硬件描 述语言及i p 核开发环境和测试工具等。 第3 章，论述以太网m a c 层i p 软核的设计过程。本章对如何采用u 型i p 核 设计方法进行以太网m a c 层i p 软核设计作了详细的介绍。 第4 章，详述了以太网m a c 层i p 软核子模块实现与验证。本章从各子模块 和接口模块的实现出发，逐层验证该软核的实现方案，然后得到i p 软核整体。 第5 章，对设计出整体m a c 层i p 软核进行综合测试验证。本章先设计出了 一种整体i p 软核测试方案，搭建了一个测试平台进行，从而对整体i p 软核进行功 能仿真测试，分析了测试结果的正确性。 第6 章，对本课题的工作进行了总结，分析了本研究与设计中所存在的问题， 并对今后研究工作进行了展望。 桂林工学院硕士学位论文 第2 章以太网m a c 协议与ip 核相关技术 2 1 以太网的发展历程 以太网( e t h e r n e t ) 最初是由x e r o x 公司在1 9 7 3 年研制而成的，后来由i n t e l 公司及美国数字设备公司联合开发的，并且在1 9 8 0 年第一次公布了l o m b p s 以太 网的物理层和数据链路层的详细技术规范，成为世界上第一个局域网工业标准。 后来到了1 9 8 3 年i e e e 委员会在这个以太网标准的基础上制定出了i e e e 8 0 2 3 国 际标准。 到了9 0 年代，随着多媒体信息技术的成熟和发展，对网络的传输质量提出更 高的要求，1 0 m b p s 网络所提供的网络带宽已难以满足人们的需求。于是一些大公 司便联合起来研究和开发新的高速网络技术。具有代表性的高速网络技术是由 3 c o m ，i n t e l ，s u n 和b a yn e t w o r k s 等公司组成的快速以太网联盟研制的1 0 0 b a s e - t 技术，它在m a c 层仍然采用c s m a c d 协议，而在物理层则提供l o o m b p s 的传输速 率，是名副其实的侠速以太网。i e e e 在1 9 9 9 0 年9 月确定l o o b a s e t 为i e e e 8 0 2 3 u 标准8 1 。 在1 9 9 6 年i e e e8 0 2 3 成立了一个标准开发任务组，到了1 9 9 8 年完成并通过 了标准i e e e8 0 2 3 z ，它在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率 ( 1 0 0 m b p s ) 提高了1 0 倍，达到了1 g b p s 。为了能够把网络速度从原先的l o o m b p s 提 升到1 g b p s ，需要对物理接口进行一些改动。为了确保与以太网技术的向后兼容性， 千兆以太网也遵循以太网对数据链路层以上部分的规定。 从1 9 9 9 年3 月份由i e e e 委员会开始制订i e e e8 0 2 3 a e 以太网标准，它继承 了8 0 2 3 以太网的帧格式及最大最小帧长度，采用i e e e8 0 2 3 以太网媒体访问 控制( m a c ) 协议。随后又制定了万兆以太网协议标准，即i e e e 8 0 2 3 a z 协议标准。 2 2 以太网8 0 2 3 m a c 层协议 2 2 1 全双工以太网技术 载波监听多点接入c s m a c d 被认为是自x e r o x 以来的研究工作最重要的进 展。它提供了一个极其简单的算法，可以实现在多个设备之间进行信道仲裁，而 不需要中央控制设备。然而，高层的协议和应用程序完全不知道底层m a c 的仲裁， 也就是说，应用程序或协议使用以太网的能力与c s m a c d 算法毫无关系，而只与 以太网的帧格式有关【9 j 。 最初以太网设计的底层信道是共享的同轴介质，它不可能支持全双工操作。 因此，在以太网中实现全双工操作需要两个因素：使用结构化布线系统，底层实 桂林工学院硕士学位论文 现转向专用介质；使用交换机，建屯微分段、专用的局域网。 e 1 前，能支持全双工模式的介质有：1 0 b a s e t 、1 0 b a s e f l 、l o o b a s e t x 、 i o o b a s e f x 、i o o b a s e - t 2 、1 0 0 0 b a s e - s x 、1 0 0 0 b a s e l x 、1 0 0 0 b a s e c x 等。 在这种基本条件下全双工以太网作为i e e e8 0 2 3 a x 补充标准的一部分增加 到原有的标准 i e e e 9 7 中。m a c 控制器的功能，包括以下几项：关掉载波监听功 能；关掉冲突检测功能；关掉将己发送数据回送到接收器的功能。 对于发送操作，全双工发送器可以做到一旦它的发送队列中有数据帧，它就 发送，只要它遵守以下两个简单规则： ( 1 ) 站每次只操作一个帧。即在开始发送下一帧前，已经完成上一帧的发送。 ( 2 ) 发送器在两帧之间加入很短的时间间隔。帧间隙使得接收器有短暂的时 间来处理必要的内部事务。 然而，对于接收操作，在全双工以太网接口中的操作与半双工模式下一样。 标准以太网都使用5 1 2 比特的最小帧长度，其包括从目的地址到校验序列。 虽然在全双工模式下就不需要最小帧长度的限制，但是保持这个限制可使设备驱 动器和高层软件能同样地对待全双工和半双工的以太网。 全双工以太网可以广泛地运用于交换机之间的连接、服务器之间的连接、长 距离连接等方面。优点如下： ( 1 ) 消除了c s m a c d 对数据链路长度的限制； ( 2 ) 增加了通信信道的总容量。 2 2 2 以太网m a c 地址与帧格式描述 1 以太网m a c 地址格式 在以太网的发展史上，以太网的帧格式改变非常小。所有数据帧格式都要经 过物理层的进一步封装，包括数据流开始和结束的定界符、空闲信号等等。以太 网m a c 地址是一个指明特定站或一组站的标识。以太网m a c 地址是6 字节( 4 8 比特) 长。图2 1 说明了以太网m a c 地址格式【1 们。 l z - u t 可巾v j 巳，r 田l l 。 7一i y i | i ，g ；u 儿 12345 6 图2 1 以太网m a c 地址格式 在目的地址中，该地址的第l 位是该帧将要发送给单个站点还是一组站点的 6 - 桂林工学院硕士学位论文 牛，j ：示符。而在源地址中，第1 位必须为0 ，冈为一个帧是不可能从一组站点发出 的。同时，站地址要唯一，地址的唯一性可以是局限于本网络内。也可以是全局 的。全局唯一地址以块为单位进行分配，地址块由i e e e 管理。一个组织从i e e e 获得唯一的地址块。并可用该地址块创建2 2 4 设备。那么保证该地址块中地址的最 后3 个字节的唯一性就是制造商的责任。 地址中的第2 位指示该地址是全局唯一还是局部唯一。除了个别情况，历史 上以太网一直使用全局唯一地址。 2 以太网m a c 帧格式 1 9 9 5 年到1 9 9 6 年，i e e e8 0 2 3 任务组为了支持全双工操作对原有的标准作 了补充，开发了流量控制算法。从数据帧格式角度来看的最大变化是，m a c 控制协 议使用o l x 以太网风格的类型域来唯一区分m a c 控制帧与其他协议的帧，i e e e 8 0 2 3 在1 9 9 7 年成为i e e e 通过的协议，支持这个域作为类型域和长度域两种解释 儿1 2 1 。具体以太网m a c 帧格式如图2 2 所示，该帧主要包含7 个域； l 7 b y t e s 1 a y t e 6 8 y t e s 8 b y t e s 2 b v t e s4 8 - 15 0 0 d y t e s 4 b y e s p r e a m b l e s f d d a s a l e n t h f r y p e d a t af c s | 帧前导码帧起始界限目的地址源地址长度膜型数据帧校验码 图2 280 2 3 以太网数据帧格式 ( 1 ) 帧前导码( p r e a m b l e ) ：包含7 个字节的o x5 5 ，主要用于接收与发送双 方的时钟同步； ( 2 ) 帧起始界限( s f d ) ：包含1 个字节的o xd 5 ，用于分隔前导码和有效数据， 最后2 位是连续的1 ，表示数据链路层的帧开始； ( 3 ) 目的地址( d a ) ：包含6 个字节，d a 标识了发送帧的目的地址，它可以是 单播地址也可以是组播地址； ( 4 ) 源地址( s a ) ：包含6 个字节，s a 标识了发送帧的源地址； ( 5 ) 长度类型( l e n g t h t y p e ) ：包含2 个字节，类型域标识了在以太网上 运行的客户端协议，长度域被用来指示数据域中有效数据的字节数，数据范围 1 5 0 1 6 5 5 3 5 的值用来标识类型域，而从0 到1 5 0 0 的所有值则保留为长度域的赋值， 保留值为o x8 8 0 8 ； ( 6 ) 数据( d a t a ) ：包含4 6 - 1 5 0 0 字节。数据域封装了通过以太网传输的高层 协议信息，由于c s m a c d 算法的限制，要保证在这个域中至少包含4 6 字节，如果 不足，则高层协议必须执行某些填充算法。长度上限被设置为1 5 0 0 字节； ( 7 ) 帧校验码( f c s ) ：包含4 个字节，f c s 是从o a 开始到数据域结束这部 分的校验和，校验和的算法是3 2 位的c r c 一3 2 校验标准，生成多项式是： g ( x ) = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + l 。 7 桂林工学院硕士学位论文 223 以太网流量控制 以太网在本质上是无连接的，帧传输的可靠性是没有什么保证。在数据位出 错、接收器的缓冲区不能满足或其他异常情况下，以太网接收器会简单地丢弃帧， 而不给出任何提示。缓冲拥塞造成丢帧的可能性要远远大于位出错，特别是在高 速下或交换机网络互连设备中。如果没有流量控制的协议，就可能由于交换机缓 冲区拥塞而丢失过多的帧【1 3 】。 1 半双工的后退压力一c s 瞅c d 算法 在交换机端口连接到共享式半双工网络上时，就可能通过改变m a c 算法的行 为，抢在将要到来的数据之前采取某些动作来阻止发送者发送数据。这就称为后 退压力( b a c kp r e s s ) 。在c s m a c d 局域网中，有两种方法可用来防止交换机的输 入缓冲区溢出： ( 1 ) 强行与将要到达的帧发生冲突，但是存在不利影响： 发送站可能阻塞太多，导致系统实际吞吐量要比可用吞吐量低； 如果交换机输入缓冲区持续拥塞，站中的待发帧可能要经历连续1 6 次的冲 突与重发。如果1 6 次发送都不成功，则按照m a c 算法，站将丢弃该帧，并 做出错误报告。对高层协议也与交换机丢失帧是一样的。 管理计数器与统计资料除了表明有“过多的冲突错误”外，还将显示很高的 冲突次数，从而认为该网络出现了某些严重的错误。 ( 2 ) 使信道看起来处于忙状态。这种方法是使用“拖延”策略而不是以太网 m a c 的冲突后退策略。只要站发现信道忙，它将延迟传输。它不但增加后退延迟 时间，而且保留该帧在队首，并且不管时间有多长，该帧都不会被丢弃。 让共享式局域网的载波监昕做出“信道忙”判断。在交换机遭遇拥塞而想要 阻塞供应负载时，生成一段前导码，把它放到需要的输入端口上。这段前导码的 结尾绝对不能是s f d ，这保证接收站不会把它解释为一个真正的帧。但是，如果这 段前导码的发送时间超过2 0 m s ，l o m b p s 收发器会作出“过长发送控制”( j a b b e r c o n t r 0 1 ) 的判断。而在l o o m b p s 和1 0 0 0 m b p s 系统中，就完全不会出现这样的问题。 因此，虽然伪载波监听算法可能间接导致冲突的发生，但是这些冲突是正常的并 且可以适当地被解决。 2 全双工网络中的m a c 控制算法 在全双工以太网中，不管是伪载波监听，还是强迫冲突算法都不能正常工作。 全双工以太网接口不检测冲突，并且忽略可延迟传送的载波监听。 i e e e8 0 2 3 a x 任务组规定了一个以太网m a c 控制的更通用的体系结构框架。 m a c 控制是数据链路层的一个子层，介于传统以太网m a c 层和m a c 客户之间的可 桂林工学院硕士学位论文 选功能。客户【t 以足网络层协议或数据链路层内部的网桥。正常的发送和接收数 据流会经过m a c 与m a c 控制子层的客户交互。一旦对m a c 控制敏感客户发出了请 求，m a c 控制可以产生控制帧( c o n t r o lf r a m e ) ，这些帧被发送到底层使用标准m a c 的以太网上，同样，以太两m a c 将接收m a c 控制帧，并把它们提交到m a c 控制子 层中的相应模块【1 4 】。如图2 3 为m a c 控制子层的位置以及m a c 控制帧和标准m a c 帧的交互。 i 客户数据帧(隆收) i i 客户数据帧( 发送) i im a c 控制客户 im a c 控制操作| 。 lm a g 控制帧( 发送) i m a c jm a c 控制帧( 揍收) i i 控制 子层 t i 客户数据帧( 接收) ii 客户数据帔( 发送) m a c 图2 3 客户帧和控制帧 m a c 控制帧的长度都是以太网帧的最小长度6 4 字节，通过唯一的类型域标识 符0 x8 8 0 8 标识出。在控制帧的数据域内，前两个字节标识m a c 控制的操作代码。 操作代码后面的域就是操作参数。如果这些参数不能使用全部的4 4 字节，则帧中 的其余位就以0 填充。 p a u s e 功能是用来在全双工以太网的链路上实现流量控制。p a u s e 操作实现了 一种简单的“停一启”形式的流量控制。如果某个设备想阻止帧到来的话，它可以 发送一个带有参数的p a u s e 帧。当另一个站接收到p a u s e 帧后，就在指定的时问 内停止数掘发送。当这个时间超时后，该站将从暂停的位置继续发送帧。p a u s e 帧 能禁止发送数据帧，但不影响m a c 控制帧的发送。p a u s e 帧只带一个称为暂停时间 ( p a u s et i m e ) 的参数，是2 个字节的无符号整型值。它是发送方请求接收方停止 发送数据帧的时间长度，时间度量以5 1 2 比特时间为增量。 2 3s 0 0 技术介绍 自集成电路发明以后，集成电路芯片的发展基础上遵循了i n t e l 公司创始人之 一的g o r d o ne m o o r e l 9 6 5 年预言的摩尔定律，即每隔3 年集成度增加4 倍，特征 尺寸缩小1 4 倍。在集成电路发展初期，电路设计都是从器件的物理版图设计入 手。后来出现了集成电路单元库，使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，极大 地推动了i c 产业发展i ”】。不过，集成电路只有安装在整机系统中才能发挥它的作 用。i c 芯片是通过p c b ( 印刷电路板) 等技术实现整机系统的。尽管i c 的速度可 桂林工学院硕士学位论文 以很r 岛功耗可以很小，但由于p c b 板上l c 芯片之间的连线延时、p c b 板可靠性 及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、 低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高。 传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统要求。同时，由于i c 设计与工艺技术水平提高，集成度电路规模越来越大，复杂程度越来越高，整个 系统已可以集成在一个芯片上。目前，已经可以在一个芯片上集成1 0 8 1 0 9 个晶 体管1 1 6 1 ，s o c 就是在这种条件下应运而生的。 s o c 主要从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次 电路，直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。s o c 的 设计以i p 核为基础的，以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手 段，借助于以计算机为平台的e d a 工具迸行设计。典型的s o c 体系结构如图2 4 所示，每一个部分都可以看着是一个相应的i p 核 1 。 图2 4 典型的s o c 体系结构 目前，s o c 的设计方法主要采用h l d ( h i g hl e v e ld e s i g n ) 高层次性设计思想， 建立基于i p 核的s o c 可重构设计方法，即针对用户需求利用先进的处理器和可编 程芯片内核把尽量多的功能转移到软件中，然后只在最能发挥可重构性优点的局 部模块采用可重构配置。这种方法可使s o c 设计工程师把可配置逻辑结构简单地 当成工具包中的又一个i p 模块来使用。由此可见，采用s o c 可重构的方法是改变 部分硬件的功能。可重构技术的实现必须使用软件的再配置功能配合工作。研究 表明，正是因为s o c 设计采用的是高层次设计中的t o p - d o w n 自顶而下的设计方法 才是s o c 设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺 技术条件下实现更高性能的系统指标【1 ”。 s o c 设计在过去的十几年中已经取得了显著的发展，已有和多家i c 提供商提 供各种类型的可编程s o c 产品，其中比较著名的三个公司是：a t m e l 、x i l i n x 和 a l t e r a 。a t m e l 公司1 9 9 9 年开发出首个基于r i s c 的现场可编程s o c 集成电路 f p s l i c ( f i e l dp r o g r a m m a b l es y s t e ml e v e li c ) a t 4 0 k f p g a 。x i l i n x 公司的 桂林工学院硕士学位论文 s ( j c 芯片型号为s p a r t a n 、s p a r t a n i i 、v ir t e x 、v i r t e x i i 、x c 4 0 0 0 和x c 9 5 0 0 ，a l t e r a 公司的s o c 芯片型号为a p e x e p 2 0 k e 、s t r a t ix 、s t r a t i x i i 和c y c l o i l e 系列，但是 它所面临的挑战也是不容忽视的。今后，作为基于i p 核的s o c 的可重构设计主要 向以下两个方向发展 1 9 t 2 0 1 ： 1 以可重用i p 核为基础的系统级设计，这主要关心的是i p 核之间的互连性， 同时也是s o c 设计面临的挑战之一。现在通常采用片上总线结构来解决i p 核之间 的互连性，即核与核之间并非直接相连而是通过片上总线进行互连。典型的i p 核 互连结构见图2 5 。使用片上总线结构虽然可以解决i p 核之间的互连问题，但这 、图2 5 典型的i p 软核互连结构 同时又出现了另外一个问题。由于不同厂商使用不同的总线结构，例如a r m 公司 的a m b a 总线、s i l i c o r ec o r p 公司的w i s h b o n e 总线、m i p s 公司的e c 总线、i b m 的c o r ec o n n e c t 总线等，因此不同厂商的i p 核之间互连几乎是不可能的。建立 一种通用的片上总线结构是v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea s s o c i a t i o n 虚 拟插座接口联盟) 一直努力的目标 2 h 。 2 以设计可重用i p 核为目的的i p 核设计，这主要关心的是i p 核的可重用性， 同时也是s o c 设计面临的又一个挑战 2 2 1 。要设计一个可重用的i p 核应该具有以 下的特征： 可读性。这个主要是针对软核和固核来说的，即要求i p 软核的提供商采用 一种恰当的方法描述设计，使用户可以方便正确的使用i p 软核。同时还要 采取措施，保护其知识产权不受侵犯。 设计的延展性和工艺适应性。i p 核是经过精心设计、验证并且优化的，一经 定型就要求其具有一定的应用范围，即i p 核可以针对不同的设计应用具有 一定的适应性。 可测性。i p 核必须是经过测试验证的，当用于具体的设计中时，并非一点改 变都没有。因此，i p 核的功能和性能还应该能被使用方测试，不仅能对其进 行单独的测试而且能在系统的应用环境中进行测试。 端口定义标准化。即i p 核的输入输出端口要有一个统一的规范定义。 完整交付数据资料、i p 核使用手册、版权保护等。 桂林工学院硕士学位论文 2 4 ip 核技术与设计方法 2 4 ，1l p 核技术与传统设计方法 1 i p 核技术简介 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 就是常说的知识产权【2 3 1 。美国d a t a q u e s t 咨询公 司将半导体产业的i p 定义为用于a s i c ，a s s p ，p l d 等当