【国产FPGA 正点原子DFPGL22G开发板】二、千兆以太网测评【硬件设计篇】

yyliu

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本帖最后由 yyliu 于 2023-1-6 18:36 编辑

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0.说明

第二期将对千兆以太网模块进行测评，由于本人从事硬件设计工作，第二期打算出两篇测评：硬件设计篇和程序设计篇。

硬件设计篇主要介绍DFPGL22G开发板千兆以太网模块的硬件方案，以及一些硬件设计细节；程序设计篇主要介绍千兆以太网通信的程序框图和代码实现，有条件的话还会做一些仿真、网速测试。

1.千兆以太网模块硬件框图

FPGA采用紫光同创Logos系列的PGL22G-6CMBG324，具有240个用户IO，约2万个LUT4资源，约2.6万个FF资源，约1000Kbit RAM资源；另外具有PCIE2.0X4和ADC硬核资源。

PHY芯片为裕太车通公司的YT8511，该芯片支持10/100/1000M网络自适应，FPGA模拟MAC层，与PHY通过RGMII接口通信；

PHY芯片具有MDI/MDIX自适应能力，与RJ45插座直连。

下图是千兆以太网模块的硬件框图。

2.千兆以太网模块硬件详细设计

2.1 主芯片端RGMII接口设计

千兆以太网中，常用的接口为RGMII 和GMII 接口。RGMII 接口的优势是同时适用于10M/100M/1000Mbps 通信速率，同时占用的引脚数较少。ATK-DFPGL22G 开发板板载的PHY 芯片采用的接口为RGMII 接口，下图是MAC 侧与PHY 侧接口的连接。

FPGA的MAC接口，可以任意选择IO用于RGMII接口的信号连接。

需要注意的是：1.根据PHY芯片的电平标准，确认是FPGA的BANK IO应该选择的电平值3.3V/2.5V/1.8V。

2.RGMII的数据发送和数据接收都是差分电平，因此应该连到FPGA的差分信号引脚；

3.RGMII接口具有一些时钟引脚，如MDIO接口的时钟引脚，时钟频率最大12.5Mhz，还有数据发送、数据接收的125Mhz时钟，需要留意这些时钟引脚是否需要连接到FPGA的时钟管脚。

FPGA一侧的RGMII接口原理图和引脚使用情况见下图：

2.2 PHY芯片设计

PHY芯片的电路设计见下图，我将其外围电路用字母A~H框出来，逐个介绍设计原理。

模块A、I电路介绍：

很多IC都有strapping pin，strapping pin就是复用管脚，在上电复位期间选择某种功能，但正常工作时又定义为其他用法。YT8511C也有很多strapping pin，功能见下图：

针对本设计所需的功能，Power on Strapping Pins配置如下图，由此我们得知PHY芯片电路的模块A、I为什么有的引脚上拉、有的引脚下拉：

针对strapping pin，往往在PHY电源稳定后，IC复位电平有效时进行采样，复位结束后进行锁存。因此，我们应该保证IC复位期间的引脚电平保持稳定，防止IC复位释放后，锁存错误的电平，造成芯片实际功能与我们期望的不同。

YT8511C对于采样strapping pin的时间描述见下图：

模块AB电路介绍：

这些引脚除了用于strapping pin之外，IC正常工作时，可以作为RGMII引脚用于数据通信。各IO的含义见下图：

模块C电路介绍：

模块C用于MAC对PHY的管理接口，主要包括两个数据线，见下图

该管理接口类似于I2C总线，MAC芯片（FPGA实现）可以通过该管理接口配置PHY芯片的寄存器值，从而实现PHY芯片的各种功能，若要详细了解可以参考PHY的datasheet。

还记得前面的strapping pin设置了PHY地址吗，该地址可以用于区域不同的PHY，因为同一个MAC可以挂载多个PHY芯片，因此需要区分地址。该管理接口又不同于I2C发送器件地址就可以了，管理接口时许见下图，PHY地址只占用了几个bit

模块D电路：

该电路使用了一个25Mhz晶体，其外部有匹配电容。由于不知道正点原子使用的具体晶体型号和参数，因此就不分析匹配电容的计算了。

模块E电路：

使用RC延时，实现IC上电时自动复位。由于电容充电的原因，当VDDH电平正常时，复位信号经过一段时间（ms级别）才会拉高，这一段时间就是复位信号有效时间。当该信号变成高电平时，复位完成。

模块F电路：

此模块需要注意，VDDH电平是通过PHY芯片内部电路输出的，而且，VDDH的电平可以通过straping pin引脚去配置的，本设计的VDDH电压是3.3V。

模块G电路：

需要注意磁珠和电容的运用。由于这几个IC供电引脚用于模拟电路的供电，可以使用磁珠滤除高频造成干扰。同时用了几个旁路电容。

模块H电路：

这几个信号连到RJ45座子上，可以与外部网线实现电气连接。

2.3 RJ45电路设计

RJ45电路设计如下图：我们首先应该知道，网口很容易受到静电、浪涌导致PHY损坏，为什么该以太网模块的设计没有加网络变压器呢？

目前很多的RJ45座子都是集成了网络变压器的，由于我看不到正点原子该RJ45座子的规格书，因此只能猜测，不详细去分析网络变压器了。

下图是RJ45座子的信号含义

我们可以发现，RJ45电路的4对差分信号并没有组成12一对、36一对、45一对、78一对，而是12、34、56、78各一对。这是因为12、34、56、78各一对是RJ45的PCB footprint，信号经过RJ45座子内部变压器后，经过交叉，网口输出的就是12一对、36一对、45一对、78一对。

对于网络灯，一般千兆网络ACT灯是橘色黄，LINK灯是绿色，PHY芯片的LED灯引脚输出低电平时，RJ45座子上的LED就会被点亮。我们就可以知道网络连接的是百兆网络还是千兆网络，是否有在数据读写操作。YT8511C的LED定义如下：

2.4 PHY电源的pi滤波

该电源滤波电路的作用，大家可以畅所欲言，一起讨论。

3.上电时序

YT8511C对上电时许和时钟也有要求，这部分较为简单，正点原子的电路实现，大家可以自行思考。

yyliu

大家有什么想说的，畅所欲言吧