网络处理器MAC层协议的实现与研究

论文摘要

随着宽带网提供的网络协议与服务业务种类的增加，网络处理器已经成为新一代网络交换机与路由器的核心设备。网络处理器一般采用多内核结构和专用指令集处理器技术，具有高性能和灵活性强的优点。MAC层处理单元是网络处理器重要的网络接口单元，负责网络处理器和外部物理层链路的交换，其性能直接影响着网络处理器的整体性能。本文结合网络处理器的研究项目，从实现具有通用总线接口的MAC层处理单元入手，完成了网络处理器以太网MAC层的RTL级硬件实现。本文首先研究了IEEE 802.3标准规定的MAC子层协议，分析了以太网MAC帧格式，并且介绍了Wishbone片上总线的4种互连方式、总线周期和接口信号。本文着重研究了MAC层处理单元的体系结构，对MAC层处理单元进行了功能模块的划分。设计MAC层处理单元由接收模块、发送模块、MAC流控模块、寄存器模块、缓冲区模块、Wishbone总线接口和MII接口控制模块7部分组成。使用FIFO单元缓冲MAC与Wishbone总线之间的数据传输。对发送模块、接收模块、缓冲区模块和Wishbone总线接口进行了比较详细的结构设计和功能描述。通过建立测试平台和测试用例，完成了设计的功能仿真和验证，给出了仿真验证结果。验证结果表明，硬件实现符合网络处理器MAC层的要求。本文的创新点在于：实现了具有Wishbone片上总线接口的MAC层处理单元，该MAC层处理单元适用于网络处理器，并具有一定的通用性；详细推导了以太网的并行CRC校验方法；对MAC层处理单元进行了自己的功能模块划分以及RTL级硬件设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 网络处理器的体系结构
• 1.3 MAC层对网络处理器的影响
• 1.4 本文的研究内容与工作
• 1.5 论文的组织
• 第二章 以太网MAC层概述
• 2.1 以太网的体系结构
• 2.1.1 以太网的发展
• 2.1.2 以太网的体系结构
• 2.2 MAC层协议
• 2.3 以太网MAC帧格式
• 2.4 MAC帧的接收与发送过程
• 2.4.1 全双工和半双工下的流量控制
• 2.4.2 MAC帧的接收过程
• 2.4.3 MAC帧的发送过程
• 第三章 网络处理器系统结构设计
• 3.1 网络处理器的整体设计
• 3.1.1 网络处理器的硬件系统
• 3.1.2 网络处理器的软件系统
• 3.2 Wishbone片上总线
• 3.2.1 Wishbone总线的互连类型
• 3.2.2 Wishbone总线周期与接口信号
• 第四章 MAC层协议的硬件实现
• 4.1 MAC层处理单元系统结构设计
• 4.2 接收模块的设计
• 4.2.1 接收模块的结构设计
• 4.2.2 接收状态机模块
• 4.2.3 CRC校验模块
• 4.3 发送模块的设计
• 4.3.1 发送模块的结构设计
• 4.3.2 发送状态机模块
• 4.4 缓冲区模块的设计
• 4.5 Wishbone总线接口的设计
• 4.6 其他模块的设计
• 4.6.1 MAC流控模块
• 4.6.2 MII接口控制模块
• 4.6.3 寄存器模块
• 第五章 MAC处理单元的仿真与验证
• 5.1 验证平台的建立
• 5.2 仿真结果
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况