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从零开始 verilog 以太网交换机（三）MAC发送控制器的设计与实现

news 2025/9/11 20:34:50

从零开始 verilog 以太网交换机（三）MAC发送控制器的设计与实现

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🚩关注本专题的朋友们可以收获一个经典交换机设计的全流程，包括设计与验证（FPGA）；以太网MAC的基础知识。新手朋友们还将获得一个具有竞争力的项目经历，后续整个工程和代码下载链接也都会放在csdn和公众号内

本章将继续进行MAC发送端控制器的设计与实现，交换机完整的架构可以参考：从零开始 verilog 以太网交换机（一）架构分析。

1、MAC发送控制器功能

MAC发送控制器的功能和接收控制器对称，负责以太网的MAC -> PHY的数据交换，将数据帧转换为MII接口形式的数据流，并根据长度进行补零，计算CRC校验等。
其功能包括以下5点：

根据以太网规范，先发送前导码，再发送帧起始符（关于前导符和帧起始符的基础知识在第二章中有介绍：MAC接收控制器的设计与实现）；
之后将Payload（有效荷载）从数据缓冲区读出，并发送；
若数据过短，需要填充数据‘0’，使MAC帧长度符合要求；
将同步计算的CRC-32校验值发送；
当MAC全部发送结束后，需要按照以太网规范插入帧间等待时间，本工程中为24个cycle（时钟周期）；

2、MAC发送控制器接口

与接收控制器正好相反，MAC发送控制器一端连接数据缓冲区和状态缓冲区，另一端连接标准MII接口，具体接口如下。

在这里插入图片描述

需要注意的是，系统时钟clk和MII发送端时钟tx_clk不同，tx_dv和tx_d需要在tx_clk下控制。

3、MAC发送控制器实现细节

发送控制器需要根据数据帧生成CRC-32校验值，通常CRC的多项式公式可以直接通过生成器来生成。（CRC生成器将放在本号的资源栏中，有需要的可以下载，或者关注博主的公众号，也有下载链接）
AFIFO的格式和结构都与接受控制器的相同，不了解的同学可以回看上一章内容：从零开始 verilog 以太网交换机（一）架构分析。

3.1、功能细节分析

检查state_fifo是否为空，若非空，则从state_fifo中取出一个数据，得到需要发送的MAC帧长度信息；
发送前导码’0101’（本工程内重复6次）和帧起始符4‘b1011;
将data_fifo数据取出发送到MII接口，并同步进行CRC-32的计算，当长度过小时进行填充处理；
Payload发送完毕后，将CRC-32的计算值一并发送；
MAC发送结束后，等待帧间隔时间后，继续发送下一帧；

3.3、MAC发送器核心电路设计

由于MAC发送控制器需要制造前导码，在帧尾填充数据，将交换机内部的8-bits数据转换成MII接口的4-bits数据，且系统时钟sys_clk和MII时钟tx_clk异步，所以在该模块中设置了一级用AFIFO实现的中间队列，既便于控制数据通路，又能处理异步时钟域。

所以发送控制器的总体架构如下：

在这里插入图片描述

前级队列控制状态机负责接收交换机处理完的数据帧，并写入对应的中间队列internal_data_fifo和internal_state_fifo，在设计中前级状态机分为5个状态，R_IDLE、R_PRE、R_SEND、R_PAD和R_CRC，后四个状态分别负责向internal_data fifo存储前导码、Payload、填充‘0’和CRC校验值。

根据每个状态需要的字节数cnt_r控制状态的跳转，每当前级state fifo非空时，发起一次接收数据帧的处理，把封装好的完整帧存储在internal data fifo中，并在最后一拍更新internal state fifo内容。

而当internal data fifo不足以存放一个最大帧时（此最大帧需要包括前导码和CRC校验的字节数），前级队列状态机会反压输入，停止接收任何数据。

在这里插入图片描述

后级队列控制器负责将接收到的完整数据帧连续不断的发送到MII接口，同样也是通过状态机的形式控制internal fifo的输出逻辑。

后级队列控制相对容易，当internal state fifo非空时，取出实际长度数据，并按长度读取data fifo，每拍发送一个4-bits data到MII接口，发送完一个完整帧后，停止一段时间后继续开始检测下一数据帧是否准备完成。

3.4、MAC发送器代码

控制器的设计并不复杂，Verilog代码将放在下面，Testbench就不展示了，有需要的可以等专题结束后在资源中下载，或者去我的公众号获得链接。

module mac_t(
//system interface
input           clk,
input           rst_n,
//MII interface
input           tx_clk,
output  reg     tx_dv,
output  [3:0]   tx_d,
//mac-r - interface mux
output  reg     data_fifo_rd,
input   [7:0]   data_fifo_dout,
output  reg     state_fifo_rd,
input   [15:0]  state_fifo_dout,
input           state_fifo_empty);parameter   BCNT_MAX        = 1518;
parameter   BCNT_MIN        = 64;
parameter   PRE_CNT         = 7;    //前导码数量
parameter   CRC_CNT         = 4;    //4 byte crc code
parameter   FRAME_WAIT_CNT  = 24;
//前级接收数据帧的状态机
localparam  R_IDLE    =   5'b00001;
localparam  R_PRE     =   5'b00010;
localparam  R_SEND    =   5'b00100;
localparam  R_PAD     =   5'b01000;
localparam  R_CRC     =   5'b10000;//缓存向MII发送数据帧的状态机
localparam  T_IDLE    =   3'b001;
localparam  T_SEND    =   3'b010;
localparam  T_WAIT    =   3'b100;reg     [4:0]   cur_sta_r;
reg     [4:0]   next_sta_r;reg     [10:0]  cnt_r;   //内部计数器  记录还有多少byte需要发送   最大2k//internal data fifo变量
reg     [7:0]   in_data_fifo_din;
reg             in_data_fifo_wr;
reg             in_data_fifo_rd;
wire    [7:0]   in_data_fifo_dout;
wire    [11:0]  in_data_fifo_wr_cnt;//internal state fifo变量
reg     [15:0]  in_state_fifo_din;
reg             in_state_fifo_wr;
wire            in_state_fifo_rd;
wire    [15:0]  in_state_fifo_dout;
wire            in_state_fifo_full;
wire            in_state_fifo_empty;wire    bp;  //反压信号，当internal fifo空间不够一个最大帧时，反压上级，拒绝接收一切数据//crc 变量
reg             crc_init;
wire            crc_cal;
wire            crc_vld;
wire    [7:0]   crc_dout;
wire    [7:0]   crc_din;assign bp = (in_data_fifo_wr_cnt[11:0] > 4096-BCNT_MAX-PRE_CNT-1) | in_state_fifo_full;assign crc_din[7:0] = in_data_fifo_din[7:0];//后级状态机变量
reg     [2:0]   cur_sta_t;
reg     [2:0]   next_sta_t;reg     [11:0]  cnt_t;           //以半字节为单位
reg             in_state_fifo_empty_dly;//============================前级状态机=========================
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cur_sta_r[4:0] <= R_IDLE;elsecur_sta_r[4:0] <= next_sta_r[4:0];
endalways @(*)begincase(cur_sta_r[4:0])R_IDLE: next_sta_r[4:0] = (!bp & !state_fifo_empty) ? R_PRE : R_IDLE;  //IDLE态时 只有internal fifo空间足够 且 前级已有处理完的数据帧才能进入下一状态R_PRE:  next_sta_r[4:0] = (cnt_r[10:0]==11'b1) ? R_SEND : R_PRE;        //发送完所有前导码和起始符后 进入下一状态R_SEND: next_sta_r[4:0] = (cnt_r[10:0]==11'b1) ? ( state_fifo_dout[10:0]< BCNT_MIN-CRC_CNT ) ? R_PAD : R_CRC : R_SEND;        //发送完所有数据帧  进入下一状态 cnt每一状态都会更新R_PAD:  next_sta_r[4:0] = (cnt_r[10:0]==11'b1) ? R_CRC : R_PAD;         //完成所有填充 进入下一状态R_CRC:  next_sta_r[4:0] = (cnt_r[10:0]==11'b1) ? R_IDLE: R_CRC;         //CRC校验需要4 cycle 结束后，将校验值填入 返回IDLE态default: next_sta_r[4:0] = R_IDLE;       endcase
end//cnt采样
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_r[10:0] <= 11'b0;else begincase(cur_sta_r[4:0])R_IDLE: cnt_r[10:0] <= PRE_CNT ;R_PRE:  cnt_r[10:0] <= cnt_r[10:0] > 11'b1 ? cnt_r[10:0] - 11'b1 : state_fifo_dout[10:0];R_SEND: cnt_r[10:0] <= cnt_r[10:0] > 11'b1 ? cnt_r[10:0] - 11'b1 : (state_fifo_dout[10:0] < (BCNT_MIN-CRC_CNT)) ? BCNT_MIN-CRC_CNT-state_fifo_dout[10:0] : CRC_CNT;R_PAD:  cnt_r[10:0] <= cnt_r[10:0] > 11'b1 ? cnt_r[10:0] - 11'b1 : CRC_CNT;R_CRC:  cnt_r[10:0] <= cnt_r[10:0] - 11'b1;default: cnt_r[10:0] <= 11'b0;endcaseend
end//==============crc var 控制================
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)crc_init <= 1'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_IDLE && next_sta_r[4:0]==R_PRE)crc_init <= 1'b1;elsecrc_init <= 1'b0;
endassign crc_cal = cur_sta_r[4:0]==R_SEND | cur_sta_r[4:0]==R_PAD;
assign crc_vld = cur_sta_r[4:0]==R_SEND | cur_sta_r[4:0]==R_PAD | cur_sta_r[4:0]==R_CRC;//=========================================
//out data fifo控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)data_fifo_rd <= 1'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_PRE && cnt_r[10:0]==11'b1)data_fifo_rd <= 1'b1;else if(cur_sta_r[4:0]==R_SEND && cnt_r[10:0]==11'b1)data_fifo_rd <= 1'b0;
end//out state fifo控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)state_fifo_rd <= 1'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_CRC && cnt_r[10:0]==11'b1)state_fifo_rd <= 1'b1;elsestate_fifo_rd <= 1'b0;
end//internal data fifo控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)in_data_fifo_wr <= 1'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_IDLE)in_data_fifo_wr <= 1'b0;else if(next_sta_r[4:0]==R_PRE)in_data_fifo_wr <= 1'b1;
endalways @(posedge clk or negedge rst_n)begin   //TODOif(!rst_n)in_data_fifo_din[7:0] <= 8'h0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_IDLE)in_data_fifo_din[7:0] <= 8'h55;else if(cur_sta_r[4:0]==R_PRE && cnt_r[10:0]==11'd1)in_data_fifo_din[7:0] <= 8'hd5;else if(cur_sta_r[4:0]==R_SEND)in_data_fifo_din[7:0] <= data_fifo_dout[7:0];else if(cur_sta_r[4:0]==R_PAD)in_data_fifo_din[7:0] <= 8'h0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_CRC)in_data_fifo_din[7:0] <= crc_dout[7:0];
end//internal state fifo控制
always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)in_state_fifo_wr <= 1'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_CRC && cnt_r[10:0]==11'b1)in_state_fifo_wr <= 1'b1;elsein_state_fifo_wr <= 1'b0;
endalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)in_state_fifo_din[15:0] <= 16'b0;else if(cur_sta_r[4:0]==R_CRC && cnt_r[10:0]==11'b1)in_state_fifo_din[15:0] <= state_fifo_dout[15:0];elsein_state_fifo_din[15:0] <= 16'b0; 
end//==========================================================================//=================================后级状态机===============================
always @(posedge tx_clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cur_sta_t[2:0] <= T_IDLE;elsecur_sta_t[2:0] <= next_sta_t[2:0];
endalways @(posedge tx_clk or negedge rst_n)begin  //打一拍 为了in state fifo read over, fsm enter next stateif(!rst_n)in_state_fifo_empty_dly <= 1'b1;elsein_state_fifo_empty_dly <= in_state_fifo_empty;
endalways @(*)begincase(cur_sta_t[2:0])T_IDLE: next_sta_t[2:0] = !in_state_fifo_empty_dly ? T_SEND : T_IDLE;T_SEND: next_sta_t[2:0] = cnt_t[11:0]==12'b1 ? T_WAIT : T_SEND;T_WAIT: next_sta_t[2:0] = cnt_t[11:0]==12'b1 ? T_IDLE : T_WAIT;default:next_sta_t[2:0] = T_IDLE;endcase
end//发送状态时 cnt采样
always @(posedge tx_clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)cnt_t[11:0] <= 12'b0;else begincase(cur_sta_t[2:0])T_IDLE: cnt_t[11:0] <= !in_state_fifo_empty_dly ? (in_state_fifo_dout[10:0]+PRE_CNT+CRC_CNT)<<1'b1 : 12'b0;T_SEND: cnt_t[11:0] <= cnt_t[11:0]==12'b1 ? FRAME_WAIT_CNT : cnt_t[11:0] - 12'b1;T_WAIT: cnt_t[11:0] <= cnt_t[11:0] - 12'b1;default: cnt_t[11:0] <= 12'b0;endcaseend
end//internal state fifo 控制assign in_state_fifo_rd = cur_sta_t[2:0]==T_IDLE & !in_state_fifo_empty;//internal data fifo 控制
always @(posedge tx_clk or negedge rst_n)begin    //fifo dout需要提前读取后，dout上才有数据，并不是数据先在总线上if(!rst_n)in_data_fifo_rd <= 1'b0;else if( (cur_sta_t[2:0]==T_IDLE & !in_state_fifo_empty) | (cur_sta_t[2:0]==T_SEND & cnt_t[0]) )in_data_fifo_rd <= 1'b1;elsein_data_fifo_rd <= 1'b0;
end//MII接口控制
always @(posedge tx_clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)tx_dv <= 1'b0;else if(cur_sta_t[2:0]==T_SEND)tx_dv <= 1'b1;elsetx_dv <= 1'b0;
endassign tx_d[3:0] = cnt_t[0] ? in_data_fifo_dout[3:0] : in_data_fifo_dout[7:4];data_fifo x_internal_data_fifo(.rst(~rst_n),.wr_clk(clk),.rd_clk(tx_clk),.din(in_data_fifo_din[7:0]),.wr_en(in_data_fifo_wr),.rd_en(in_data_fifo_rd),.dout(in_data_fifo_dout[7:0]),.full(),.empty(),.rd_data_count(),.wr_data_count(in_data_fifo_wr_cnt[11:0]));state_fifo x_internal_state_fifo(.rst(~rst_n),.wr_clk(clk),.rd_clk(tx_clk),.din(in_state_fifo_din[15:0]),.wr_en(in_state_fifo_wr),.rd_en(in_state_fifo_rd),.dout(in_state_fifo_dout[15:0]),.full(in_state_fifo_full),.empty(in_state_fifo_empty));  crc32 x_crc32(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.data(crc_din[7:0]),.init(crc_init),.cal(crc_cal),.vld(crc_vld),.crc_reg(),.crc(crc_dout[7:0]));    endmodule