以太网协议研究及mac控制器的fpga设计与实现数据发送处理模块(附件)【字数：14080】
摘 要摘 要以太网作为一种局域网基本介质（媒体）接入技术，使用灵活方便以及实现手段也简明扼要，所以在近几年飞速发展。当前，以太网技术在嵌入式系统上的研发和使用当中，早已变成嵌入式领域发展当中的一个很受欢迎的方面。本文的研究范围是以太网MAC 控制器的数据发送模块，旨在研究以太网MAC 控制器的数据发送模块的工作原理以及对于Verilog HDL 语言仿真代码的分析，并且仿真。本文对于以太网MAC 控制器的工作原理以及相关的软件平台、硬件FPGA技术做了简要描述，重点是对Verilog HDL 语言设计的以太网MAC控制器源代码进行分析，利用Quartus II软件进行基于FPGA的以太网MAC 控制器的初步仿真，利用结构框图表示模块内部结构，通过框图展示了数据发送模块的内部结构和工作流程。关键词 以太网MAC控制器发送模块，FPGA(现场可编程门阵列)，Verilog HDL（硬件描述语言）
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 基于FPGA的以太网MAC控制器在国际的研究现状与发展 1
1.1.2 基于FPGA的以太网MAC控制器在国内的研究现状与发展 1
1.2 本文的主要内容 2
第二章 技术支撑 4
2.1 MAC控制器的设计原理 4
2.1.1 MAC子层 4
2.1.2 MAC基本框架 6
2.2 FPGA的原理以及应用背景 6
2.2.1 FPGA的基本工作原理 7
2.2.2 FPGA的应用背景 8
2.3 VERILOG HDL语言概述 9
2.4 QUARTUS II 仿真软件 10
第三章 数据发送处理模块 12
3.1 总体模块分析 12
3.2 数据发送处理模块分析 15
3.2.1 CRC生成模块CRC _GEN 17
3.2.2 流量控制模块FLOW _CTRL 18
3.2.3 前导码产生模块MAC _tx _ addr _add 22
3.2.4 随机数生成模块ramdom _gen 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 3.2.5 数据发送状态机模块MAC_ tx_ ctrl 25
3.2.6 FIFO模块MAC _tx _FF 31
第四章 仿真 35
4.1 仿真原理 35
4.2 QUARTUS II 15.0 数据发送模块仿真 38
4.2.1 数据发送顶层模块 38
4.2.2 CRC校验码产生模块 39
4.2.3 流量控制模块 40
4.2.4 前导码产生模块 41
4.2.5 随机输生成模块 42
4.2.6 数据发送状态机模块 43
4.2.7 FIFO模块 43
4.3 QUARTUS II 8.0 加法器的仿真 44
第五章 总结 47
第六章 致谢 48
参 考 文 献 49
第一章 绪论
1.1 研究背景
基于FPGA的以太网控制器在国内外都是一个比较成熟的研究方向，同时应用范围也非常广泛。但是因为科技发展情况的不同，基于FPGA的以太网MAC控制器的研究情况在国内和国际还是存在一定差距的。
1.1.1 基于FPGA的以太网MAC控制器在国际的研究现状与发展
FPGA的领头企业大多在美国，FPGA最强的公司包含了Xilinx, Altera, Lattice, Actel, Atmel, Avago, Cypress等，且各自具有自己领先技术。其中Xilinx是全世界FPGA的霸主，千万门级，16纳米的领先者； Actel是反熔丝的领头羊，宇航级产品开发的功臣，其余所有企业的产品，都是工业级、军工级，宇航级产品不能忽视的核心芯片，也是其他国家研究前沿科技的不足之处以及急需发展的地方。
目前，FPGA最为精细的就是16/14纳米，接下来的阶段就是10纳米以下的竞争领域。而在FPGA领域，最宝贵的就是宇航级抗辐射芯片。在17级抗辐射芯片领域，这类抗辐照芯片在全球范围内很多大体上没有被禁止运输，也没有被过分保护。原因是这类芯片的核心技术前世界都已经知晓了，控制它反而是没有必要的。如今美国率先研发到10级，这是FPGA领域最高的级别，也是全世界最昂贵的芯片，所以要购买美国的芯片需要花费不少。
1.1.2 基于FPGA的以太网MAC控制器在国内的研究现状与发展
由于中国的许多科研项目都与要用到FPGA芯片，比如说空间站，探月三期，大火箭，大型高容量通信卫星，天基红外预警卫星等等。这类科研设备的开发，7级以下芯片完全不能满足需要，而国外的顶尖技术轻易无法获得，所以必须中国自己研制。其实差不多在90年代，中国人就开始接触FPGA板级产品的研究生产。通过这些年来的努力，已经从板级发展到芯片级，不管是千万门级，还是宇航抗辐射级，都一步步跻身成为了FPGA研制大国。2013年，俄罗斯就说过，用俄罗斯研制的发动机来交换中国的宇航级芯片，也就是中国的CPU和FPGA芯片。
2000年以后，中国涌现出来了10几家FPGA集成电路设计公司，包括了各种类型，各种规模的公司企业，一下子，中国科研人员纷纷加入了FPGA企业投资研发的行列当中。这是非常契合市场发展趋势的选择，美国的FPGA发展历程，也是从民用一步一步发展到一些特定的行业的。目前，一些FPGA开发企业已经开始研究千万门级，宇航级抗辐射等级听说已经超过了8级以上，和美国只有1—2级的距离。
现在，随着制作技术的一点点进步，集成电路的集成度不断升高，同样大小的芯片能够集成越来越多的元件，可是这也使得生产一片芯片所需的时间和成本也随之增加了。传统ASIC产品高昂的掩膜成本，已经成为阻碍集成电路继续发展的一个制约因素。这些问题给FPGA?提供了很好的发展机遇，FPGA产品研发所需时间不长，需要的人力物力不多，正逐渐成为中低端产品的第一选择。
在21世纪这个知识经济为中心的时代里，自主研发基于FPGA的产品对于整个国家的科技发展，国防发展，经济发展都有巨大的意义。这不仅是国家强大的象征，更是国家对于知识的重视的体现。所以，作为大学生的我们研究FPGA也有很大的价值。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 基于FPGA的以太网MAC控制器在国际的研究现状与发展 1
1.1.2 基于FPGA的以太网MAC控制器在国内的研究现状与发展 1
1.2 本文的主要内容 2
第二章 技术支撑 4
2.1 MAC控制器的设计原理 4
2.1.1 MAC子层 4
2.1.2 MAC基本框架 6
2.2 FPGA的原理以及应用背景 6
2.2.1 FPGA的基本工作原理 7
2.2.2 FPGA的应用背景 8
2.3 VERILOG HDL语言概述 9
2.4 QUARTUS II 仿真软件 10
第三章 数据发送处理模块 12
3.1 总体模块分析 12
3.2 数据发送处理模块分析 15
3.2.1 CRC生成模块CRC _GEN 17
3.2.2 流量控制模块FLOW _CTRL 18
3.2.3 前导码产生模块MAC _tx _ addr _add 22
3.2.4 随机数生成模块ramdom _gen 23
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/> 3.2.5 数据发送状态机模块MAC_ tx_ ctrl 25
3.2.6 FIFO模块MAC _tx _FF 31
第四章 仿真 35
4.1 仿真原理 35
4.2 QUARTUS II 15.0 数据发送模块仿真 38
4.2.1 数据发送顶层模块 38
4.2.2 CRC校验码产生模块 39
4.2.3 流量控制模块 40
4.2.4 前导码产生模块 41
4.2.5 随机输生成模块 42
4.2.6 数据发送状态机模块 43
4.2.7 FIFO模块 43
4.3 QUARTUS II 8.0 加法器的仿真 44
第五章 总结 47
第六章 致谢 48
参 考 文 献 49
第一章 绪论
1.1 研究背景
基于FPGA的以太网控制器在国内外都是一个比较成熟的研究方向，同时应用范围也非常广泛。但是因为科技发展情况的不同，基于FPGA的以太网MAC控制器的研究情况在国内和国际还是存在一定差距的。
1.1.1 基于FPGA的以太网MAC控制器在国际的研究现状与发展
FPGA的领头企业大多在美国，FPGA最强的公司包含了Xilinx, Altera, Lattice, Actel, Atmel, Avago, Cypress等，且各自具有自己领先技术。其中Xilinx是全世界FPGA的霸主，千万门级，16纳米的领先者； Actel是反熔丝的领头羊，宇航级产品开发的功臣，其余所有企业的产品，都是工业级、军工级，宇航级产品不能忽视的核心芯片，也是其他国家研究前沿科技的不足之处以及急需发展的地方。
目前，FPGA最为精细的就是16/14纳米，接下来的阶段就是10纳米以下的竞争领域。而在FPGA领域，最宝贵的就是宇航级抗辐射芯片。在17级抗辐射芯片领域，这类抗辐照芯片在全球范围内很多大体上没有被禁止运输，也没有被过分保护。原因是这类芯片的核心技术前世界都已经知晓了，控制它反而是没有必要的。如今美国率先研发到10级，这是FPGA领域最高的级别，也是全世界最昂贵的芯片，所以要购买美国的芯片需要花费不少。
1.1.2 基于FPGA的以太网MAC控制器在国内的研究现状与发展
由于中国的许多科研项目都与要用到FPGA芯片，比如说空间站，探月三期，大火箭，大型高容量通信卫星，天基红外预警卫星等等。这类科研设备的开发，7级以下芯片完全不能满足需要，而国外的顶尖技术轻易无法获得，所以必须中国自己研制。其实差不多在90年代，中国人就开始接触FPGA板级产品的研究生产。通过这些年来的努力，已经从板级发展到芯片级，不管是千万门级，还是宇航抗辐射级，都一步步跻身成为了FPGA研制大国。2013年，俄罗斯就说过，用俄罗斯研制的发动机来交换中国的宇航级芯片，也就是中国的CPU和FPGA芯片。
2000年以后，中国涌现出来了10几家FPGA集成电路设计公司，包括了各种类型，各种规模的公司企业，一下子，中国科研人员纷纷加入了FPGA企业投资研发的行列当中。这是非常契合市场发展趋势的选择，美国的FPGA发展历程，也是从民用一步一步发展到一些特定的行业的。目前，一些FPGA开发企业已经开始研究千万门级，宇航级抗辐射等级听说已经超过了8级以上，和美国只有1—2级的距离。
现在，随着制作技术的一点点进步，集成电路的集成度不断升高，同样大小的芯片能够集成越来越多的元件，可是这也使得生产一片芯片所需的时间和成本也随之增加了。传统ASIC产品高昂的掩膜成本，已经成为阻碍集成电路继续发展的一个制约因素。这些问题给FPGA?提供了很好的发展机遇，FPGA产品研发所需时间不长，需要的人力物力不多，正逐渐成为中低端产品的第一选择。
在21世纪这个知识经济为中心的时代里，自主研发基于FPGA的产品对于整个国家的科技发展，国防发展，经济发展都有巨大的意义。这不仅是国家强大的象征，更是国家对于知识的重视的体现。所以，作为大学生的我们研究FPGA也有很大的价值。
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