FPGA SGMII接口前导码小于7个字节55的解决方案-电子发烧友网

在使用Xilinx FPGA 芯片中SGMII IP核进行千兆以太网调试时，经常会遇到以太网接口收到的前导码长度不足7个字节55的情况，但这种情况确实正常现象。这就要求在设计代码处理前导码时不能将55的个数作为判据，而是只要有55转换为D5，就应该认为前导码接收成功了。不了解前导码的同学可以参看文章《你见过物理层的以太网帧长什么样子吗？》。

SGMII接口基本功能测试

SGMII接口（开启自协商）调试分为三个步骤，先测试SGMII最基本功能仿真、再测试SGMII最基本功能自回环上板、最后直接测试开启自协商功能后上板

1、测试SGMII基本功能仿真：

（1）打开sgmii IP，将接口选择为sgmii接口，关闭MDIO接口，其它选项默认，生成IP核；

（2）根据IP核生成example design，将speed_is_10_100、speed_is_100设置为0（1000Mbps模式），将configuration_vector设置为5‘b00010（关闭SGMII自协商，开启PMA回环，具体参考手册63页table2-39），将userclk2作为跟GMII接口同步的时钟（用来驱动MAC GMII接口侧，也可以用来驱动其它模块）；

（3）开启仿真，测试自回环（也可以通过修改参数测试外环或2个SGMII互通），一般PMA回环要3.1ms左右才能通，外环或互通要3.5ms左右；

（4）仿真时会发现gmii_rxd信号每隔一帧数据会少一个时钟的前导码如图1，这个不用担心，为正常现象，1G MAC仍然能正常接收数据，产生这个的具体原因不详（手册有介绍，不过内容偏向于底层编码原因，具体不太了解，手册只是简单说明了一下表面原因，手册221页说明此问题），同时有的数据帧gmii_rx_dv信号拉低后gmii_rx_er信号会拉高一个时钟（对应的gmii_rxd数据为8‘h0f），如图2，这个也不用担心，手册224页对其有说明（具体说是为帧扩展），由于gmii_rx_er拉高处gmii_rx_dv拉低，所以不是帧错误（此处需要适当修改原版1G MAC的代码，使1G MAC中gmii_rxd、gmii_rx_dv、gmii_rx_er同步打拍，原设计中没有同步打拍）。

图1

图2

注意：SGMII开启自协商后要仿真非常长时间才能互通（8.1ms），因此推荐直接上板。

2、测试SGMII基本功能上板：

（1）SGMII接口的independent_clock默认是200MHZ，可以用PLL生成，也可以查阅手册修改IP内部参数来设置为其它频率，具体修改参考手册36页描述（修改后如何操作IP参考RapidIO调试手册），只需修改一个参数就可以（修改时钟频率会影响仿真通过时间），如图3；

（2）上板主要是测试PMA回环版（自带激励源），设置好约束文件，抓取关键信号，直接生成bit文件，上板测试，如果没有通，看status_vector信号，查阅手册65页table2-41，查找原因。

图3

3、测试SGMII自协商功能上板：

（1）将configuration_vector参数设置为5‘b100x0（开启自协商功能，x表示可以测PMA回环，也可指直接接PHY进行测试），自协商参数使能信号an_restart_config设置为0（该信号上升沿代表自协商参数an_adv_config_vector有效，an_restart_config为0表示使用默认参数，如果想手动配置自协商参数，可以查阅手册64页table2-40）；

（2）生成bit文件并上板测试，并观察状态信号status_vector。

RGMII或SGMII调试中正常的“异常”问题

1、参考资料

《pg047-gig-eth-pcs-pma》
《88e1512 data》
《AR8033d》

2、以太网接口使用场景介绍

《88e1512data》PHY芯片手册中，标准的RGMII、SGMII接口的使用场景如下两图所示：

实际上，此处的10/100/1000Mbps Ethernet MAC代指的是标准的SGMII接口的MAC核和标准的RGMII接口的MAC核。而实验室所用的MAC核为GMII接口形式的MAC核，因此实际上我们的应用场景变成了如下的两图：

此处的IDDR/ODDR原语、SGMII核主要功能是为实验室MAC核提供标准的千兆GMII接口形式的数据源。在实验的接口调试中，由于PHY芯片的各个功能模式设置、XILINX官方的SGMII核和IDDR/ODDR原语的特性不同，可能会出现一些问题。

3、PHY芯片功能模式设置

正常情况下，我们常用的PHY芯片功能模式有以下：
• 全双工/半双工模式
• 千兆/百兆/十兆模式
• 自协商速率/固定速率
• RGMII/SGMII模式
• 交叉线/直连线模式

当交换机出现无法连接网口（连接指示灯熄灭）、数据收发错误等问题时，可以通过VIO、MDIO来读取PHY芯片相应功能的寄存器的值，来确定功能模式配置是否出现问题。

4、RGMII千兆模式常见问题

此问题详细描述见文章：RGMII接口调试使用VIO读取PHY寄存器值

标准的RGMII千兆接口，时钟周期为125MHz，但是数据位宽为4位，采用在时钟的上下边沿采样的方式，得到1Gbps带宽，正常工作状态的发送时序图如下所示：

为了确保数据采样的正确，时钟的边沿必须在数据的中间进行跳变。为了实现这种发送模式，在数据发送时，控制发送时钟，使其偏移90度（即延后2ns）。

但是有的PHY芯片中，可以选择不同的工作模式，使得控制时钟偏移2ns或者不偏移2ns（《88e1512》P252）。如果PHY芯片的工作模式是偏移了2ns,那我们就不用作偏移了，否则可能正好导致时钟边沿和数据跳边沿对齐，出现错误；如果PHY芯片的工作模式是不偏移，则我们需要手动控制时钟的偏移。RGMII数据的读取同理，具体情况需要阅读相应的PHY芯片手册。

5、SGMII千兆模式下常见的“异常”问题

参见《pg047-gig-eth-pcs-pma》P219，Xilinx官方的SGMII的IP核转换出的GMII格式数据可能会出现两种问题：
• 以太网数据帧帧头部分丢失一个前导码；
• 以太网数据帧FCS域结束后,tx_er信号拉高。

丢失前导码情况，如下图所示：

在这种情况下，前导码由7个55,1个D5,变成了6个55，1个D5。某些MAC核是根据55跳变到D5这种情况下作操作的，所以数据直接进MAC核，不会出现问题。但是，在TTE交换机中，分流模块、TT平面，可能是根据gmii_tx_en信号的上升沿开始作计数，从而提出TT_ID、TYPE/LENGTH域等数据，这就可能导致错误。并且，以太网帧发送时，需要发送7个55，1个D5格式的前导码。因此，我们接收到这种数据帧时，需要将前导码补齐，再将数据帧送入后续模块进行处理。

FCS域结束后，tx_er信号拉高，如下图所示：