基于FPGA的百兆光物理层及其装置的制作方法

基于fpga的百兆光物理层及其装置
技术领域
1.本技术涉及一种fpga技术领域，更涉及一种基于fpga的百兆光物理层及其装置。


背景技术：

2.随着网络技术的快速发展，自ieee宣布ieee 802.3u 100base_fx_phy(百兆光物理层)快速以太网(fast ethernet)标准以来，快速以太网技术在各个领域得到了巨大的应用。时至今日，千兆网络甚至万兆网络都已经展开应用，在某些工业应用领域，通信带宽要求不高，快速以太网仍受到众多客户的青睐。以前使用快速以太网技术实现的100base_fx_phy的方法主要是asic(专用集成电路)芯片，通过设计专用的集成电路的方式来实现100base_fx_phy的功能。这种实现方式研发投入大，应用到产品上还需要单独外挂asic芯片，增加了pcb(印刷电路板)设计的复杂度，同时也增加了整体产品的成本。如果客户的项目需要多颗asic的百兆光物理层来实现产品的功能，多颗asic都需要单独进行供电，就会造成产品功耗偏大。传统的技术方案具有以下不足：
3.1、实现成本较高。
4.设计专用的百兆phy asic芯片，研发成本高，此外还有流片环节、生产环节、封装测试等环节的高成本。
5.2、应用成本较高。
6.举例说明，某厂商开发一种16路百兆以太网的中继器，使用fpga进行信号的分发处理，如果使用aisc的百兆phy芯片，那么需要购买16个aisc芯片进行外围电路的设计。
7.3、pcb设计时复杂度高。
8.举例说明，某厂商开发一种16路百兆以太网的中继器，使用fpga进行信号的分发处理，如果使用aisc的百兆phy芯片，那么需要16个aisc芯片进行外围电路的设计，在一定面积上，pcb设计的难度较大。
9.4、整体功耗高。
10.举例说明，某厂商开发一种16路百兆以太网的中继器，使用fpga进行信号的分发处理，如果使用aisc的百兆phy芯片，那么需要16个aisc芯片进行外围电路的设计，在该板上，需要为16个asic和一颗fpga进行供电，整体功耗较大。


技术实现要素：

11.本技术的目的在于提供一种基于fpga的百兆光物理层及其装置，节省了使用外挂asic的成本，降低了pcb设计的复杂度，降低了用户产品的整体功耗。
12.本技术公开了一种基于fpga的百兆光物理层，包括：
13.耦合到介质独立接口的物理编码子层，所述物理编码子层包括位宽编码器、并
‑
串转换模块、串
‑
并转换模块、位宽解码器和载波侦测模块，其中，所述位宽编码器耦合到所述介质独立接口和所述并
‑
串转换模块，所述位宽解码器耦合到所述介质独立接口和所述串
‑
并转换模块，所述载波侦测模块耦合到所述介质独立接口、位宽编码器和位宽解码器；和
14.耦合到物理介质相关子层服务接口的物理介质附着子层，所述物理介质附着子层包括不归零就反向编码器、不归零就反向解码器、连接控制器、数据恢复模块和载波检测模块，其中，所述不归零就反向编码器耦合到所述并
‑
串转换模块，所述连接控制器耦合到所述载波侦测模块，所述不归零就反向解码器耦合到所述串
‑
并转换模块、载波检测模块和数据恢复模块，所述数据恢复模块耦合到所述物理介质相关子层服务接口。
15.在一个优选例中，所述位宽编码器用于将从所述介质独立接口接收的第一位宽的数据信号转换为第二位宽的数据信号并发送到所述并
‑
串转换模块，所述并
‑
串转换模块用于将第二位宽的数据信号串行的发送到所述不归零就反向编码器并发送数据发射信号到所述载波侦测模块。
16.在一个优选例中，所述第一位宽为4比特，所述第二位宽为5比特。
17.在一个优选例中，所述串
‑
并转换模块用于将从所述不归零就反向解码器接收的数据信号以第三位宽并行的发送到所述位宽解码器，所述位宽解码器用于将接收的所述第三位宽的数据信号转换为第一位宽的数据信号并发送到所述介质独立接口，并且发送数据接收信号到所述位宽编码器和所述载波侦测模块。
18.在一个优选例中，所述第三位宽为10比特。
19.在一个优选例中，所述不归零就反向编码器用于将从所述并
‑
串转换模块接收的数据信号进行不归零就反向编码并将编码的数据信号发送到所述物理介质相关子层服务接口。
20.在一个优选例中，所述数据恢复模块用于将从所述物理介质相关子层服务接口接收的数据信号进行异步恢复并发送到所述不归零就反向解码器，所述不归零就反向解码器用于将所述异步恢复的数据信号进行不归零就反向解码并将解码的数据发送到所述串
‑
并转换模块。
21.在一个优选例中，所述连接控制层用于对所述物理介质相关子层服务接口发送的信号状态进行判断并输出连接状态信号到所述载波侦测模块、所述位宽编码器和所述位宽解码器。
22.在一个优选例中，所述载波检测模块用于对从所述不归零就反向解码器接收的数据信号进行检测以获取载波状态信号和接收错误状态。
23.本技术还公开了一种基于fpga的百兆光物理层的装置包括：
24.多个如前文描述的基于fpga的百兆光物理层，所述多个百兆光物理层分别通过介质独立接口耦合到用户内部逻辑并通过物理介质相关子层服务接口耦合到电光转换接口；
25.交换机，所述多个百兆光物理层各自通过电光转换接口经由光纤连接线耦合到所述交换机。
26.相对于现有技术，本技术的基于fpga的百兆光物理层至少具有以下有益效果：
27.针对某厂商开发一种16路百兆以太网的中继器，如果使用本专利提供的方案，直接在fpga内部进行实现，则可以为该厂商节省16个asic的芯片成本，可以为该厂商节省16个asic的芯片pcb设计，而且降低了pcb的面积，降低了pcb设计难度，只需要满足一颗fpga芯片的供电即可，降低了整体功耗。
28.本说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个
问题，本说明书上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a b c，在另一个例子中公开了特征a b d e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a b c d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a b c e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
29.图1出了本技术一个实例中基于fpga的百兆光物理层的示意图。
30.图2出了本技术一个实例中基于fpga的百兆光物理层装置示意图。
具体实施方式
31.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
32.部分术语的解释：
33.fpga(field programmable gate array)：现场可编程逻辑门阵列
34.csma/cd(carrier sense multiple access with collision detection)：载波侦听多路访问/冲突检测协议
35.100base
‑
fx：光纤上100mbps csma/cd局域网的ieee802.3物理层规范。
36.802.3：ieee 802.3协议
37.pcs(physical coding sublayer)：物理编码子层
38.pma(physical medium attachment sublayer)：物理介质附着子层
39.pmd(physical medium dependent sublayer service interface)：物理介质相关子层服务接口
40.mdi(medium dependent interface)：介质相关接口
41.asic(application specific integrated circuit)：专用集成电路
42.mii(medium independent interface)：介质独立接口
43.mac(media access control)：介质介入控制层
44.nrzi(non return to zero invert)：不归零就反向
45.gbic(gigabit interface converter)：将千兆位电信号转换为光信号的接口器件
46.sfp(small form
‑
factor pluggables)：可以简单的理解为gbic的升级版本
47.鉴于asic实现的百兆光物理层的诸多缺陷，本技术发明人积极加以研究创新，以期创新出一种可以降低产品成本和产品功耗的百兆光物理层，使其应用场景更加丰富，使其更加具有产业上的利用价值。
48.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、设计合理、使用方便的100base_fx_phy(百兆光物理层)。本技术采用fpga芯片进行设计实现100base_fx_phy的功
能，同时一颗fpga芯片可以实现多个100base_fx_phy(百兆光物理层)，为用户节省了使用外挂asic的成本，降低了pcb设计的复杂度，降低了用户产品的整体功耗。
49.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
50.本技术公开了一种基于fpga的百兆光物理层，图1示出了一个实施例中基于fpga的百兆光物理层100的示意图。该基于fpga的百兆光物理层100包括：耦合到介质独立接口(mii)130的物理编码子层(pcs)110和耦合到物理介质相关子层服务接口(pmd)140的物理介质附着子层(pma)120。
51.所述物理编码子层110包括位宽编码器101、并
‑
串转换模块102、串
‑
并转换模块103、位宽解码器104和载波侦测模块105。所述位宽编码器101耦合到所述介质独立接口130和所述并
‑
串转换模块102。所述位宽解码器103耦合到所述介质独立接口130和所述串
‑
并转换模块104。所述载波侦测模块105耦合到所述介质独立接口130、位宽编码器101和位宽解码器104。
52.所述物理介质附着子层120包括不归零就反向编码器201、不归零就反向解码器202、连接控制器203、数据恢复模块204和载波检测模块205，其中，所述不归零就反向编码器201耦合到所述并
‑
串转换模块102，所述连接控制器203耦合到所述载波侦测模块105，所述不归零就反向解码器202耦合到所述串
‑
并转换模块103、载波检测模块105和数据恢复模块204，所述数据恢复模块204耦合到所述物理介质相关子层服务接口140。
53.在一个实施例中，所述位宽编码器101用于将从所述介质独立接口130接收的第一位宽的数据信号转换为第二位宽的数据信号并发送到所述并
‑
串转换模块102，所述并
‑
串转换模块102用于将第二位宽的数据信号串行的发送到所述不归零就反向编码器201并发送数据发射信号transmitting到所述载波侦测模块105。在一个实施例中，所述第一位宽为4比特，所述第二位宽为5比特。
54.在一个实施例中，所述串
‑
并转换模块103用于将从所述不归零就反向解码器202接收的数据信号以第三位宽并行的发送到所述位宽解码器104，所述位宽解码器104用于将接收的所述第三位宽的数据信号转换为第一位宽的数据信号并发送到所述介质独立接口130并发送数据接收信号receiving到所述位宽编码器101和所述载波侦测模块105。在一个实施例中，所述第三位宽为10比特。
55.在一个实施例中，所述不归零就反向编码器201用于将从所述并
‑
串转换模块102接收的数据信号进行不归零就反向编码201并将编码的数据信号发送到所述物理介质相关子层服务接口140。
56.在一个实施例中，所述数据恢复模块204用于将从所述物理介质相关子层服务接口140接收的数据信号进行异步恢复并发送到所述不归零就反向解码器202，所述不归零就反向解码器202用于将所述异步恢复的数据信号进行不归零就反向解码并将解码的数据发送到所述串
‑
并转换模块103。
57.在一个实施例中，所述连接控制层203用于对所述物理介质相关子层服务接口140发送的信号状态signal_status进行判断并输出连接状态信号link_status到所述载波侦测模块205、所述位宽编码器101和所述位宽解码器104。
58.在一个实施例中，所述载波检测模块105用于对从所述不归零就反向解码器202接
收的数据信号进行检测以获取载波状态信号和接收错误状态。
59.本技术的基于fpga的百兆光物理层降低了研发asic的成本，流片环节、生产环节、封装测试等环节的高成本，降低了用户产品的整体成本，同时降低了产品的整体功耗，同时降低了产品设计的pcb难度。
60.为了能够更好地理解本说明书的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本技术保护范围的限制。
61.百兆光物理层包括耦合到mii接口的pcs层和耦合到pmd接口的pma层。所述的pcs层与mii接口进行数据的交换，具体数据接口信号包含：
62.tx_clk 发送时钟信号
63.tx_data[3:0] 发送数据信号
[0064]
tx_en 发送数据使能信号
[0065]
tx_er 发送数据错误信号
[0066]
rx_clk 接收时钟信号
[0067]
rx_data[3:0] 接收数据信号
[0068]
rx_dv 接收数据使能信号
[0069]
rx_er 接收数据错误信号
[0070]
crs 载波侦测信号
[0071]
col 冲突检测信号
[0072]
所述pma层上与pcs层进行数据交换，具体数据接口信号包含：
[0073]
tx_code
‑
bit 发送位信号
[0074]
rx_code
‑
bit 接收位信号
[0075]
link_status 连接状态信号
[0076]
所述pma层下与pmd进行数据交换，具体的数据接口信号包含：
[0077]
tx_nrzi
‑
bit 发送编码位信号
[0078]
rx_nrzi
‑
bit 接收编码位信号
[0079]
signal_status 状态信号
[0080]
位宽编码器101是4b/5b编码器，位宽解码器104是4b/5b解码器。4b/5b编码器的信号输入有连接状态信号link_status、4b/5b解码器的receiving信号、mii接口的发送数据信号tx_data[3:0]、mii接口的发送数据使能信号tx_en和mii接口的发送数据错误信号tx_er，然后对mii接口发送的数据信号tx_data[3:0]进行4b/5b编码，编码后输出为信号tx_bits[4:0]，对连接状态信号link_status、4b/5b解码器的receiving信号和mii接口的发送数据使能信号tx_en进行检测，输出transmitting信号，该信号用于指示当前链路是否有发送信号传播。
[0081]
所述的并
‑
串转换模块是将4b/5b编码器输出的信号tx_bits[4:0]串行输出，即将五比特位宽数据转换为单比特位宽信号，最终输出发送位信号tx_code
‑
bit。
[0082]
所述载波侦测模块的信号输入有4b/5b编码器的transmitting信号，4b/5b解码器的receiving信号和连接状态信号link_status，将检测发送和接收链路的信号传播，并生成载波侦测信号crs输出到mii接口上。
[0083]
所述4b/5b解码器的信号输入有连接状态信号link_status和串
‑
并转换模块的信
号rx_bits[9:0]，然后对信号rx_bits[9:0]进行4b/5b解码，生成接收数据信号rx_data[3:0]、接收数据使能信号rx_dv和接收数据错误信号rx_er输出到mii接口上，同时产生receiving信号，该信号用于指示当前链路是否有接收信号传播。
[0084]
所述的串
‑
并转换模块是将接收位信号rx_code
‑
bit进行并行输出，即将单比特的信号转换为十比特的信号，然后输出信号rx_bits[9:0]。
[0085]
所述nrzi编码器将发送位信号tx_code
‑
bit进行不归零就反向编码，编码后输出发送编码位信号tx_nrzi
‑
bit，nrzi编码的作用是避免信号长连续的电平，提高信号的反转率。
[0086]
所述的连接控制器将输入的signal_status状态信号进行判断，然后输出连接状态信号link_status，连接控制器的作用是避免整个系统工作在物理通道的断路情况下，一直监视物理通道的连接情况。
[0087]
所述数据恢复模块是将接收编码位信号rx_nrzi
‑
bit进行异步恢复，该信号是从对端的设备发送过来的，本地进行数据恢复后得到准确的接收编码位信号rx_nrzi
‑
bit。
[0088]
所述nrzi解码器是将进行数据恢复后的接收编码位信号rx_nrzi
‑
bit进行不归零就反向解码，解码后输出接收位信号rx_code
‑
bit。
[0089]
所述载波检测模块将接收位信号rx_code
‑
bit进行检测，得到载波状态信号和接收错误状态，这两个信号同时用于指示接收链路的状态是否正常。
[0090]
mii接口和pmd(物理介质相关子层服务接口)不是百兆光物理层的内部模块，这两个模块是百兆光物理层的外接模块，是其正常工作的必要条件。
[0091]
本技术另一方面还公开了一种基于fpga的百兆光物理层的装置，图2示出了一个实施例中装置的示意图。该装置包括：多个如前文描述的基于fpga的百兆光物理层(100base_fx_phy)和百兆sfp端口交换机。所述多个百兆光物理层分别通过介质独立接口(mii)耦合到用户内部逻辑并通过物理介质相关子层服务接口耦合到电光转换接口(sfp)。所述多个百兆光物理层各自通过电光转换接口经由光纤连接线耦合到所述交换机。
[0092]
如图2所示，在一颗fpga芯片中可以多次例化100base_fx_phy(百兆光物理层)，前提是fpga芯片的资源和管脚数量充足的情况下。使用的fpga芯片不限品牌，例化多路100base_fx_phy(百兆光物理层)后，外部可以通过sfp(电信号转换为光信号的接口器件)连接光纤连接线，以达到长距离通信的目的，根据sfp的型号不同通信距离范围在2千米至20千米之间。对端设备可以是百兆sfp端口交换机，但不限于这一场景应用，只要对端设备是百兆sfp接口，这边百兆光物理层都可以与其进行全双工的通信。
[0093]
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、
多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
[0094]
可以在本文中使用术语“耦合到”及其派生词。“耦合”可以表示两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”还可以意味着两个或更多个元件间接地彼此接触，但是仍然彼此协作或相互作用，并且可以意味着一个或多个其他元件在被称为彼此耦合的元素之间耦合或连接。
[0095]
本说明书包括本文所描述的各种实施例的组合。对实施例的单独提及(例如“一个实施例”或“一些实施例”或“优选实施例”)不一定是指相同的实施例；然而，除非指示为是互斥的或者本领域技术人员很清楚是互斥的，否则这些实施例并不互斥。应当注意的是，除非上下文另外明确指示或者要求，否则在本说明书中以非排他性的意义使用“或者”一词。
[0096]
在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本说明书的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。