以太网协议研究及mac控制器的fpga设计与实现数据接收处理模块(附件)【字数：14767】
摘 要摘 要随着互联网的发速发展，以太网的发展速度也在飞速提高，网络安全领域在其中起着至关重要的作用。在网络安全方面，通常使用网络过滤设备分析大量以太网数据包，网络过滤设备正常运行的关键是以太网数据包的正确传输和接收，这是以太网MAC的主要功能。以太网MAC协议的设计与实现，在以太网相关应用中起着非常重要的作用。利用FPGA作为设计和实现的载体，可以缩短开发周期，方便调试更改。在对MAC协议进行分析理解的基础上，将以太网MAC控制器分为数据接收处理，数据发送和控制三个部分。本文主要研究数据接收处理模块。整个设计采用Verilog-HDL语言实现，通过Quartus软件进行模拟操作，验证的方式采用由里及外的方法，对系统主模块、数据接收处理模块进行功能设计的验证。关键词数据接收处理模块、Verilog-HDL语言、Quartus II、功能模拟仿真。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景与来源 1
1.2国内外研究现状及存在的问题 2
1.3主要研究内容 3
1.4论文内容以及章节划分 3
第二章 技术知识介绍 4
2.1以太网控制器（MAC） 4
2.1.1以太网控制器的原理 4
2.1.2 MAC子层 4
2.2 MAC功能模块分析 7
2.3 FPGA 9
2.3.1FPGA的原理 9
2.3.2基本特点 9
2.3.3 FPGA配置模式 10
2.3.4 FPGA的设计方法 10
2.4 VerilogHDL 11
2.4.1 Verilog HDL设计模块的基本结构 11
2.4.2 Verilog HDL词法构成 12
2.4.3 Verilog HDL的语句 14
2.5 Quartus II 14
2.5.1 Quartus II 简介 15
2.5.2 Quartus 的功能 15
2.5.3 Quartus的安装 15
第三章 以太网MAC数据接收处理模块 16
3.1 MAC控制器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
16
3.1.1工作方式 16
3.1.2技术要求 16
3.2 MAC控制器接收处理模块 17
3.3 流量控制 21
3.4 MII接口 22
3.4.1 MII发送时序 22
3.4.2 MII接收时序 23
3.4.3 网络状态信号时序 25
3.5 接收方向工作流程 25
3.5.1 地址处理 26
3.5.2 接收错误检测 27
第四章 仿真验证 28
总结与展望 32
致谢 33
参考文献 34
附录 36
绪论
目前，以太网IEEE802.3协议和TCP / IP协议是嵌入式网络接入网络的首选协议。 以太网协议的核心是多节点共享信道，采用载波侦听/冲突检测（CSMA / CD）协议解决信道控制问题。[1]本文主要阐述了IEEE802.3协议的相关研究，并着重介绍了以太网协议研究及MAC控制器的FPGA设计与实现——数据接收处理模块。
1.1课题背景与来源
随着互联网的快速发展，以太网的发展速度越来越快，应用越来越广泛，网络安全领域在互联网的发展中起着重要的作用。 在网络安全方面，一般使用网络过滤设备通过大量以太网数据包进行分析，以太网数据包的正常传输和分发是网络过滤设备正常运行的关键，即以太网MAC（Media Access 控制）层主要功能。 随着以太网技术的飞速发展，网络传输速度一直从10M开发到目前的10000M，具有可编程逻辑器件（FPGA）实现以太网控制器等SoC系统互联已成为当前研究热点。
现在以太网的开发和应用已经成为一个重要的嵌入式研究领域，与传统的CAN，RS485相比，以太网运行速度更快，功能更多，可以直接与互联网连接; 而随着USB的出现，IEEE1394相比成本的布线和传输距离等都有很大的优势。 因此，研究以太网协议和MAC控制器FPGA设计与实现的研究具有非常重要的意义。
与传统CAN，RS485等相比，以太网具有更快，通用性更强的优点，最重要的一点是可以直接与Internet连接，具有更广泛的远程访问。与新兴的IEEE1394、USB总线相比，以太网在软件控制中的传输距离和通用性上拥有着更大的优势，在近几年随着深亚微米集成电路工艺技术的快速发展，SoC的快速发展已成为IC行业重点关注的焦点，在单芯片上容纳更多的逻辑单元已成为芯片设计的必然发展趋势。将所有功能集成到单个芯片中是降低系统成本，减少系统面积和消耗的最佳方法，并提高系统可靠性。SoC已经逐渐渗透到多媒体，计算机控制，通信等数字领域，以太网技术在嵌入式系统的开发和应用中，已然变成当前嵌入式技术研究领域的热点之一。
FPGA具有相当数量的逻辑门电路，可以进行复杂的实验和使用低电压功耗，系统级高密度FPGA，随着产品应用成本下降，生产规模的增加，它灵活的应用于系统级设计中。FPGA将逐渐取代ASIC在电子领域的地位。
嵌入式以太网在运输行业，家庭自动化，工业控制，商业领域等方面都有很好的应用前景，而嵌入式设备在低价格，小尺寸和它的实时方面具有很大的优势，使嵌入式系统的网络发展有一个通用处理器不能超越的优势。嵌入式系统逐渐网络化，使SoC（System on Chip ）有更广泛的应用。嵌入式系统在网络开发过程中，首先要解决以太网和嵌入式设备的连接问题，就是所谓的网络芯片设计。通常用于网络开发的芯片具有专用的以太网芯片和控制，工业领域的网络采用SoC芯片，具有相当的现实意义。
1.2国内外研究现状及存在的问题
工业以太网技术研究近年来引起了国外工业控制专家的关注，目前针对多标准工业以太网标准，正在使用单任务单芯片系统或ARM嵌入式系统。 外部以太网控制器基于开发的一定基础,如美国Vitesse Semiconductor开发了一种EthereCAT（TM）芯片组等。[2]
国内使用可编程逻辑器件实现工业以太网控制器研究相对较晚。目前，国内一些研究机构开展使用可编程逻辑器件实现了MAC控制器的研究。其他研究机构也开发了使用可编程逻辑器件的网络功能，如利用FPGA实现嵌入式三态以太网设计，或利用FPGA实现以太网交换功能。
从国内外的研究来看，工业以太网协议不是一个统一的标准，还在发展中。对于工业通信环境不统一，目前的大多数方法是采用ASSP，MCU和ASIC来实现的，它特别灵活，需要开发多个电路板进行支持，或者需要更改每个协议和相应软件堆栈的硬件。
在体系结构划分方面，芯片信号将相互交叉，使结构相对复杂。一个结构良好的部门不仅是对协议的一个很好的把握，而且也是对较低的工作水平发挥很好的指导。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景与来源 1
1.2国内外研究现状及存在的问题 2
1.3主要研究内容 3
1.4论文内容以及章节划分 3
第二章 技术知识介绍 4
2.1以太网控制器（MAC） 4
2.1.1以太网控制器的原理 4
2.1.2 MAC子层 4
2.2 MAC功能模块分析 7
2.3 FPGA 9
2.3.1FPGA的原理 9
2.3.2基本特点 9
2.3.3 FPGA配置模式 10
2.3.4 FPGA的设计方法 10
2.4 VerilogHDL 11
2.4.1 Verilog HDL设计模块的基本结构 11
2.4.2 Verilog HDL词法构成 12
2.4.3 Verilog HDL的语句 14
2.5 Quartus II 14
2.5.1 Quartus II 简介 15
2.5.2 Quartus 的功能 15
2.5.3 Quartus的安装 15
第三章 以太网MAC数据接收处理模块 16
3.1 MAC控制器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
16
3.1.1工作方式 16
3.1.2技术要求 16
3.2 MAC控制器接收处理模块 17
3.3 流量控制 21
3.4 MII接口 22
3.4.1 MII发送时序 22
3.4.2 MII接收时序 23
3.4.3 网络状态信号时序 25
3.5 接收方向工作流程 25
3.5.1 地址处理 26
3.5.2 接收错误检测 27
第四章 仿真验证 28
总结与展望 32
致谢 33
参考文献 34
附录 36
绪论
目前，以太网IEEE802.3协议和TCP / IP协议是嵌入式网络接入网络的首选协议。 以太网协议的核心是多节点共享信道，采用载波侦听/冲突检测（CSMA / CD）协议解决信道控制问题。[1]本文主要阐述了IEEE802.3协议的相关研究，并着重介绍了以太网协议研究及MAC控制器的FPGA设计与实现——数据接收处理模块。
1.1课题背景与来源
随着互联网的快速发展，以太网的发展速度越来越快，应用越来越广泛，网络安全领域在互联网的发展中起着重要的作用。 在网络安全方面，一般使用网络过滤设备通过大量以太网数据包进行分析，以太网数据包的正常传输和分发是网络过滤设备正常运行的关键，即以太网MAC（Media Access 控制）层主要功能。 随着以太网技术的飞速发展，网络传输速度一直从10M开发到目前的10000M，具有可编程逻辑器件（FPGA）实现以太网控制器等SoC系统互联已成为当前研究热点。
现在以太网的开发和应用已经成为一个重要的嵌入式研究领域，与传统的CAN，RS485相比，以太网运行速度更快，功能更多，可以直接与互联网连接; 而随着USB的出现，IEEE1394相比成本的布线和传输距离等都有很大的优势。 因此，研究以太网协议和MAC控制器FPGA设计与实现的研究具有非常重要的意义。
与传统CAN，RS485等相比，以太网具有更快，通用性更强的优点，最重要的一点是可以直接与Internet连接，具有更广泛的远程访问。与新兴的IEEE1394、USB总线相比，以太网在软件控制中的传输距离和通用性上拥有着更大的优势，在近几年随着深亚微米集成电路工艺技术的快速发展，SoC的快速发展已成为IC行业重点关注的焦点，在单芯片上容纳更多的逻辑单元已成为芯片设计的必然发展趋势。将所有功能集成到单个芯片中是降低系统成本，减少系统面积和消耗的最佳方法，并提高系统可靠性。SoC已经逐渐渗透到多媒体，计算机控制，通信等数字领域，以太网技术在嵌入式系统的开发和应用中，已然变成当前嵌入式技术研究领域的热点之一。
FPGA具有相当数量的逻辑门电路，可以进行复杂的实验和使用低电压功耗，系统级高密度FPGA，随着产品应用成本下降，生产规模的增加，它灵活的应用于系统级设计中。FPGA将逐渐取代ASIC在电子领域的地位。
嵌入式以太网在运输行业，家庭自动化，工业控制，商业领域等方面都有很好的应用前景，而嵌入式设备在低价格，小尺寸和它的实时方面具有很大的优势，使嵌入式系统的网络发展有一个通用处理器不能超越的优势。嵌入式系统逐渐网络化，使SoC（System on Chip ）有更广泛的应用。嵌入式系统在网络开发过程中，首先要解决以太网和嵌入式设备的连接问题，就是所谓的网络芯片设计。通常用于网络开发的芯片具有专用的以太网芯片和控制，工业领域的网络采用SoC芯片，具有相当的现实意义。
1.2国内外研究现状及存在的问题
工业以太网技术研究近年来引起了国外工业控制专家的关注，目前针对多标准工业以太网标准，正在使用单任务单芯片系统或ARM嵌入式系统。 外部以太网控制器基于开发的一定基础,如美国Vitesse Semiconductor开发了一种EthereCAT（TM）芯片组等。[2]
国内使用可编程逻辑器件实现工业以太网控制器研究相对较晚。目前，国内一些研究机构开展使用可编程逻辑器件实现了MAC控制器的研究。其他研究机构也开发了使用可编程逻辑器件的网络功能，如利用FPGA实现嵌入式三态以太网设计，或利用FPGA实现以太网交换功能。
从国内外的研究来看，工业以太网协议不是一个统一的标准，还在发展中。对于工业通信环境不统一，目前的大多数方法是采用ASSP，MCU和ASIC来实现的，它特别灵活，需要开发多个电路板进行支持，或者需要更改每个协议和相应软件堆栈的硬件。
在体系结构划分方面，芯片信号将相互交叉，使结构相对复杂。一个结构良好的部门不仅是对协议的一个很好的把握，而且也是对较低的工作水平发挥很好的指导。
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