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簡談基于FPGA的千兆以太網

? ? ? ?大家好,又到了學習時間了,學習使人快樂。今天我們來簡單的聊一聊以太網,以太網在FPGA學習中屬于比較高級的內容了,有些同學肯定會感覺以太網學習起來非常不容易。其實,我可以告訴大家,前期學習的基礎打扎實了,后期的學習也沒那么難。總之就是說難沒那么難,說容易也不是那么容易。那么,言歸正傳,下面讓我們一起來聊一聊以太網的學習。
? ? ? ?說起以太網,大家可能就會想到百兆以太網、千兆以太網以及萬兆以太網等等。局域以太網從10M開始發展,經歷幾多的變遷,發展到現在的千兆以太網。千兆以太網以高效、高速、高性能為特點,已經廣泛應用在金融、商業、教育、政府機關及廠礦企業等行業。吉比特以太網,或譯千兆以太網是一個描述各種以吉比特每秒速率進行以太網幀傳輸技術的術語,由IEEE 802.3-2005標準定義。該標準允許通過集線器連接的半雙工千兆連接,但是在市場上利用交換機的全雙工連接所達到的速度才真正符合標準。
? ? ? ?當今,隨著互聯網技術的迅速發展,采用以太網實現數據采集和控制方面的應用,成為了電子系統設計的熱點。以太網具有價格低廉、穩定可靠、傳輸速度快、傳輸距離遠等特點,以太網技術發展成熟,具有很高的性價比。采用以太網技術的設備,可以通過TCP/IP協議進行數據的傳輸,不需要進行傳輸協議轉換,使用和維護設備簡單。隨著技術的發展和各類應用的需求,出現了各種以太網的標準,包括標準以太網(10Mbit/s)、百兆以太網(100Mbit/s)、千兆以太網(1000Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網[1]。不同類型的以太網有其各自需要遵循的標準,同時其所用的傳輸介質以及數據吞吐量也各不相同。千兆以太網技術作為新一代的高速以太網技術,它可以提供1Gbps的通信帶寬,采用和傳統10M、100M以太網同樣的CSMA/CD協議、幀格式和幀長、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統,給用戶帶來了提高核心網絡的有效解決方案,這種解決方案的最大優點是繼承了傳統以太網技術價格便宜的特點。
? ? ? ?對于學習者而言,你就是要搞清楚弄明白以太網如何去實現,在實際操作中怎么去做,從這個角度出發的話,你就會發現其實沒那么復雜,這就是說起來沒那么難。那真正實現起來,到具體的各個接口以及細節的調試以及調通,你會發現還是比較燒腦的。所以呢,咱們先來聊一聊以太網的各個接口,從大體框架來分析如何去學習。
? ? ? ?咱們就以千兆以太網舉例,千兆以太網,只是說以太網的速率為千兆,也就是1G。除了千兆網,還有百兆網,萬兆網,當然這些都是指的以太網的速率。不同速率的以太網,在FPGA端的接口表現形式也是不一樣的。下邊就來介紹百兆網和千兆網的接口形式。
? ? ? ?這是網口與FPGA連接的常用方案,RJ45就是咱們平常說的水晶頭,Ethernet PHY是以太網的PHY芯片,之后就是Ethernet PHY與FPGA相連。

? ? ? ?

下邊是以太網PHY芯片與FPGA連接的簡單的架構圖(不代表全部的信號輸入輸出端口)

先說百兆網,百兆網的接口一般為MII(Media Independent Interface),當然10M網用的也是MII接口。下圖是一塊以太網PHY芯片的一些手冊資料截圖。

在百兆網模式下,其RXCLK的周期為40ns,也就是25M,數據端口RXD只用了4根線RXD[3:0],然后25M*4 = 100M,這樣算出來,就是100M的速率了。接著再來說一下千兆網,千兆網的接口,就目前接觸比較多的接口有3種,GMII,RGMII和SGMII。先說GMII,RxClk的周期為8ns,也就是125M,數據端口使用了8bit,125M*8 = 1000M,速率就是千兆網了。

還有RGMII,其時鐘頻率也為125M,但是它只使用了4個線,不過,RGMII使用的是雙沿模式,也就是DDR模式,在時鐘的上下沿都可以傳送數據。這樣算的話,125M*4*2 = 1000M,還是千兆網。RGMII與GMII主要的區別就是雙沿采樣與單沿采樣。

之后還有SGMII,全稱為Serial Gigabit Media Independent Interface,也就是串行的以太網接口。RGMII,GMII還是MII,都是使用并行接口,而且還需要隨路時鐘,而SGMII只需要2組線,一組是發送,一組是接收,當然一組線由兩根差分線組成。SGMII也是需要8/10B編碼。這樣在PCB布線時,就可以節省一些布線的空間。當然,對于FPGA來講,也節省了FPGA的引腳資源。SGMII一般在公司的項目會用的多一些,像GMII,RGMI在某寶上賣的開發板上一般都有。
? ? ? ?下面就簡單的說說以太網數據格式,IEEE.802.3數據格式匯總,幀間隙IFG>=96bittime,10zM/100M/1000M格式一樣。如下圖簡單的端口信號顯示截圖。

上面介紹了那么多接口以及以太網的相關知識,那么問題來了,如何去快速學習千兆以太網呢?個人認為掌握好總體框架以及接口細節,理解UDP協議,掌握抓包等等,慢慢琢磨學習,大家都可以慢慢掌握好的。那么下面咱們就來聊聊千兆以太網的UDP協議,并且會結合wireshark抓包軟件抓取到的以太網包,帶著大家看一下以太網的協議到底是怎么樣的呢?當然,像我們常用的以太網協議有TCP/IP,UDPTCP/IP和UDP相比,TCP/IP是一種數據可靠的協議,而UDP是一種數據不可靠的協議。至于為什么TCP/IP是可靠的,而UDP是不可靠,留給大家自行百度。在wireshark中可以抓取到經過網口傳輸的很多數據包,可以說只要是經過網口的數據,在wireshark中都能抓到。大家可以去下載一個WireShark來學習一下吧,免費下載使用哦!(備注:網絡協議分析器 ?WireShark是一款開源的網絡數據幀分析軟件,可以抓取網絡數據封包,提供每個數據幀的詳細信息,如MAC地址、數據幀類型、IP地址、UDP端口、等重要信息,方便開發者對網絡數據協議的分析與相關測試。WireShark官網:https://www.wireshark.org/)

下面我們根據抓取到的一個UDP包,來給大家介紹UDP的協議

? ? ? ?第一部分,可以粗略的知道該UDP包,其源IP和目的IP到底是什么。
? ? ? ?第二部分,是對該UDP包的簡短描述,從中可以大約的知道該數據包的數據長度,源MAC地址,目的MAC地址,等等相關信息。
? ? ? ?第三部分,可以說是這個包的所有數據。一個完整的數據包,還會有數據包的幀頭,幀尾還有CRC校驗的數據。
? ? ? ?看到第三部分,這全是十六進制的字符,這TMD的到底是什么意思呢?
? ? ? ?關于這些內容,點開第二部分的展開圖標,就可以一探究竟了。? ??

這樣看,是不是就可以知道這個UDP包的前6個字節,就是目的MAC地址了呢?再來看接著的6個字節數據:6c fd b9 87 48 de

這6個字節,代表著源MAC地址。我們也可以通過查看自己電腦上的MAC地址來確認。

? ? ? ?接著的這些數據,大家也可以自己跟著文章中的講解,自己下載一個WireShark來學習一下。
? ? ? ?當然,這里特別需要說明的一下是,UDP協議涉及到校驗和的計算。總共有兩個校驗和,一個是在IP首部的校驗和,另一個是在UDP首部的校驗和。

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TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP411設備是一個帶有內置本地溫度傳感器的遠程溫度傳感器監視器。遠程溫度傳感器,二極管連接的晶體管通常是低成本,NPN或PNP型晶體管或二極管,是微控制器,微處理器或FPGA的組成部分。 遠程精度為±1 °C適用于多個設備制造商,無需校準。雙線串行接口接受SMBus寫字節,讀字節,發送字節和接收字節命令,以設置報警閾值和讀取溫度數據。 TMP411器件中包含的功能包括:串聯電阻取消,可編程非理想因子,可編程分辨率,可編程閾值限制,用戶定義的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大溫度監視器,寬遠程溫度測量范圍(高達150°C),二極管故障檢測和溫度警報功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封裝。 特性 ±1°C遠程二極管傳感器 ±1°C本地溫度傳感器 可編程非理想因素 串聯電阻取消 警報功能 系統校準的偏移寄存器 與ADT7461和ADM1032兼容的引腳和寄存器 可編程分辨率:9至12位 可編程閾值限...
發表于 09-19 16:35 ? 111次 閱讀
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器

TMP468器件是一款使用雙線制SMBus或I 2 C兼容接口的多區域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外,還可以同時監控多達八個連接遠程二極管的溫度區域。聚合系統中的溫度測量可通過縮小保護頻帶提升性能,并且可以降低電路板復雜程度。典型用例為監測服務器和電信設備等復雜系統中不同處理器(如MCU,GPU和FPGA)的溫度。該器件將諸如串聯電阻抵消,可編程非理想性因子,可編程偏移和可編程溫度限值等高級特性完美結合,提供了一套精度和抗擾度更高且穩健耐用的溫度監控解決方案。 八個遠程通道(以及本地通道)均可獨立編程,設定兩個在測量位置的相應溫度超出對應值時觸發的閾值。此外,還可通過可編程遲滯設置避免閾值持續切換。 TMP468器件可提供高測量精度(0.75°C)和測量分辨率(0.0 625°C)。該器件還支持低電壓軌(1.7V至3.6V)和通用雙線制接口,采用高空間利用率的小型封裝(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在計算系統中輕松集成。遠程結支持-55°C至+ 150°C的溫度范圍。 特性 8通道遠程二極管溫度傳感器精度:±0.75&...
發表于 09-18 16:05 ? 84次 閱讀
TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器
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