基于FPGA的RGMII接口设计(三)——时钟和复位

作者:FPGA的现今未

在RGMII接口的设计中,除了上述2个方面外,还有一个重要的方面就是接口的时钟和复位方案。为什么会有这个问题呢?最重要的原因就是有网口的插拔。因为网口的插拔会导致随路时钟的丢弃,从而会引起一系列需要考虑的问题……

时钟方案

RGMII接口数据的采样是采用的随路时钟。对于简单的系统,比如RGMII接口接收数据后简单处理就发送出去,这种简单系统的系统时钟可以就采用RGMII接口的随路时钟。对于复杂的系统,往往有单独的系统时钟,和RGMII接口随路时钟是不一样的,这个时候就需要好好考虑时钟方案了。这里主要讨论系统时钟和RGMII接口随路时钟不一致的场景。

时钟方案.JPG

如上图所示,是MAC的一个方案图,随路时钟到系统时钟域的转换往往在MAC中完成。上图中MAC是工作在随路时钟,数据流经过MAC后,最后通过时钟域转换进入到系统时钟域。当然MAC也可以工作在系统时钟域,如下图所示,数据流从RGMII接口转GMII接口后,先经过时钟域转换进入系统时钟域,然后经过MAC处理。

MAC的一个方案图.JPG

无论哪一种方案,都是可以的,但是关键的问题是考虑网线拔掉后,没有了随路时钟,MAC应该做哪些处理,从而保证功能的稳定可靠。这里主要考虑的问题就是残报。我们拔掉网线后,报文可能只传输了一半,可能会形成一个残报,或者说超短包。

对于第一种时钟方案,这个报文可能已经写入时钟转换的FIFO中,由于写时钟(RGMII随路时钟)丢失,从系统时钟域读出的报文不但是超短包可能还没有EOP,那么在系统时钟域必须做容错处理,保障这样的报文丢弃,或者等待和下一个有效报文合并。

对于第二种时钟方案,由于MAC工作在系统时钟域,同样从时钟域转换FIFO中读出的报文是超短包,刚好MAC有过滤功能,可以解决这个问题。但是这里有一个问题需要注意,RGMII接口传输一个完整的报文是通过数据有效信号de来指示的,de信号下降沿表示一个报文的结束,因此在时钟域转换的时候,要保证整包的传输。

复位

RGMII接口的复位方案,主要就考虑一个问题,拔掉网线后是否复位?这就看系统时钟的来源。

如果系统时钟是由RGMII接口随路时钟分频得到的,那随路时钟丢失后,系统时钟也会丢失,整个FPGA没有时钟,这个时候FPGA最好处于复位状态。

第二种方案就是系统时钟是由外部晶振或者其它时钟分频得到,网线拔掉后,RGMII接口的随路时钟丢失,但是不影响系统时钟,我们在实际项目中遇到的大部分的场景也是这种情况。如果整个系统的数据处理的唯一通路就是这个网口,那拔掉网线后,FPGA处于复位状态也无可厚非。如果是多个网口,或者还有其他和网口无关的功能,那拔掉网线后整个FPGA肯定是不能处于复位状态的,只需要由上文提到的,解决插拔网线后引起的残报即可。

不管是哪种场景,还是建议拔掉网线后不要复位整个系统,从定位问题的角度,如果反复插拔网线这个功能上有问题,复位系统后可能就不太方便定位问题了……

总结

虽然这里讨论的是RGMII接口的场景,但是这种随路时钟的处理,在其他场景中也会遇到,比如采用行场同步信号的视频接口,也是采用随路时钟,拔掉视频线后,时钟丢失,也会引起视频残帧。

同理,对于随路时钟域的复位,在其他领域也有同样的问题,比如视频接口的随路时钟域,也需要同样的考虑如何有效的复位。

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