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TCP／IP协议是一个协议族，集成有数据传输、流量控制、校验、纠错以及管理等多种功能。要通过网络接口实现数据传输，没有必要实现完整的TCP／IP协议，而且在有限的硬件资源上实现整个协议族也是不切实际的。图1为TCP／IP协议族的分层结构，实现数据传输需要在每一层实现一种协议。应用层主要实现用户控制，接收数据以及为发送数据做相应准备等。在运输层，选择UDP协议。UDP协议是面向无连接的，它提供不可靠的传输服务，不保证一定能将数据传输到目的地。而TCP协议是面向连接的，它提供可靠的传输服务，能保证正确的数据传输，协议中包括重传机制、分片机制以及流量控制机制等。但UDP比TCP简单的多，易于实现，占用资源也比较少。在网络层，选择IP协议和部分ICMP协议。IP协议用于数据传输，而ICMP协议用于测试，如ping命令就属于ICMP协议。在链路层，需要有MAC控制器实现以太网数据帧的打包解包、校验和计算等。另外，还需要实现ARP协议。ARP协议用于通知通信双方各自的硬件地址信息。

2 方案选择及实现
2．1 千兆以太网的设计方案研究
千兆以太网的关键技术在于千兆以太网的MAC控制器和以太网接口的实现。目前市场上物理层芯片和MAC芯片都比较多，但大多数MAC芯片是PCI或PCIe接口，这种芯片主要用于计算机主板，而GMII接口的MAC芯片接口简单，便于用户使用。对于不同的系统，设计千兆以太网的方法应根据系统的处理器类型而定，目前主流的处理器有FPGA、DSP、SOC、PowerPC等，根据处理器类型，大致可分为以下3种：
(1)使用FPGA作为主控制器，可以使用一片物理层协议芯片实现物理层，一片MAC芯片实现MAC层，而上层协议在FPGA内部使用硬件描述语言实现。也可以在FPGA内部使用MAC核代替MAC芯片，从而简化系统设计。如Xilinx Virtex-5系列FPGA中就集成有10／100／11 000 Mb·s-1以太网MAC控制器硬核，而Altera提供Triple Speed EthemetMegaCore软核控制器。
(2)使用集成有MAC控制器的DSP芯片，外部使用物理层芯片来实现物理层。如TI公司的TMS320C647x系列DSP，它采用哈佛总线结构，集成
度较高，运算速度快。可以完全使用C语言编程，操作方便。
(3)使用基于嵌入式操作系统的TCP／IP协议栈，如PowerPC芯片，它可以嵌入某些操作系统，如Linux系统，能够方便的实现TCP／IP控制，外部使用一片物理层芯片即可。由于有TCP／IP协议栈的支持，省去了编写协议的工作。
在系统中，主控制芯片选择Altera公司的StratixlI系列FPGA，StratixII系列FPGA片资源丰富，支持多种电平标准，并集成有M4K，M512等多种形式的存储器资源，可以实现数据的缓冲及存储。MAC控制器使用该公司提供的MAC软核来实现，该软核支持多款物理层芯片，选择NI公司的DP83865芯片，系统如图2所示。

此方案较其他方案有明显的优势。(1)DP83865采用GMII接口，简单易用，而且性价比很高，与Altera公司的MAC软核一起使用上简化了设计者的工作，能有效缩短产品开发周期。(2)MAC软核在FPGA内部占用的逻辑资源较少，所以并不会增加系统的额外开销。
2．2 物理层芯片介绍
DP83865支持10Base-T／100Base-Tx／1000Base-T以太网协议，它使用0．18 μm、1．8 V CMOS工艺，使用MII、GMII或RGMII的媒体独立接口，简化了与MAC控制器的连接，具有超低功耗、完全自适应等特点，便于用户实现10／100／1 000 Mb·s-1以太网。芯片内部设有32个寄存器，可以通过MDIO接口访问其内部寄存器。Altera公司的MAC软核内部映射有两个物理层芯片的寄存器组空间，其地址空间与DP83865内部寄存器一一对应，用户可以通过访问MAC软核内部寄存器以达到访问DP83865的寄存器目的，MAC软核将自动通过MDIO接口访问DP83865的寄存器。这样，如果要重新设定DP83865内部寄存器值，或者在调试过程中要通过读取寄存器来判断芯片的工作状态，可以直接访问其在MAC软核内部映射的寄存器空间，从而简化设计。

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关键词： 传输系统 设计 数据 高速 千兆 以太网 基于