10BASE-T以太網(wǎng)物理介質(zhì)連接單元的設(shè)計(jì)仿真

趙 森，郭 蒙，王世奎，王宣明

（1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，陜西西安710071；2.西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安710068）

10BASE-T以太網(wǎng)物理介質(zhì)連接單元的設(shè)計(jì)仿真

趙 森1，郭 蒙2?，王世奎2，王宣明2

（1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，陜西西安710071；2.西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安710068）

以太網(wǎng)技術(shù)占據(jù)了大量的局域網(wǎng)市場(chǎng)，是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，自主設(shè)計(jì)以太網(wǎng)各個(gè)站點(diǎn)的物理介質(zhì)連接單元（MAU）至關(guān)重要。本文對(duì)MAU進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，研究了10BASE-T的MAU功能的狀態(tài)機(jī)；最后對(duì)MAU主要功能進(jìn)行了仿真測(cè)試。結(jié)果表明：自主設(shè)計(jì)的10BASE-T的MAU為研制以太網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

MAU；10BASE-T；SQE

近年來，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得我們能夠享受到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶給我們的信息化便捷生活。以太網(wǎng)以其開放性、可平滑升級(jí)性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)贏得了局域網(wǎng)技術(shù)的主導(dǎo)地位。雖然以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，但是以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)也是一大難題。本文研究10 M以太網(wǎng)PHY層的MAU的功能，并對(duì)主要功能進(jìn)行測(cè)試。

1 MAU概述

1.1 功能簡(jiǎn)介

MAU通過來自DTE或中繼器在AUI電路上產(chǎn)生三個(gè)信號(hào)的方式將信息耦合到雙絞線鏈路段。MAU具有發(fā)送、接收、回環(huán)、沖突檢測(cè)等功能，用來處理DTE或中繼器到雙絞線之間的信息流。

1.2 特性

（1）通過AUI使PLS子層與基帶雙絞線鏈路耦合；

（2）支持10 Mb∕s的數(shù)據(jù)傳輸速率；在不提供中繼器的情況下在0到至少100 m的雙絞線上工作；

（3）允許DTE或中繼器確認(rèn)MAU的操作和介質(zhì)的可用性；

（4）支持用CSMA∕CD方式配置基帶信令；

（5）支持MAU之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接；當(dāng)中繼器有多個(gè)端口時(shí)，支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（6）允許半雙工操作或全雙工操作。

2 MAU功能描述

2.1 發(fā)送功能

MAU的發(fā)送功能提供將曼徹斯特碼數(shù)據(jù)從DO電路傳送到TD電路的能力。當(dāng)不在TD電路上發(fā)送曼徹斯特碼數(shù)據(jù)時(shí)，MAU向TD電路發(fā)送idle信號(hào)。

在一個(gè)從MAC層來的數(shù)據(jù)幀開始傳送時(shí)，從D0電路接收到信號(hào)到TD電路的響應(yīng)時(shí)間不超過2 BT的數(shù)據(jù)時(shí)間。此外，它是允許數(shù)據(jù)幀的第一比特發(fā)送的是含有相沖突或無(wú)效的幅度。所發(fā)送的第二位MAU連接到TD電路應(yīng)按照正確的時(shí)序和信號(hào)電平進(jìn)行傳輸。穩(wěn)態(tài)傳播延遲在DO電路的輸入和TD電路之間不得超過2 BT（比特時(shí)間）。

對(duì)于任何分隔小于9.6μs相鄰數(shù)據(jù)幀，建立時(shí)間不得大于第二個(gè)數(shù)據(jù)幀超過2 BT。只要TD電路上沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，此時(shí)通路處于空閑狀態(tài)，TD電路上應(yīng)發(fā)TP_IDL信號(hào)。TP_IDL是處于閑置狀態(tài)的開始。它應(yīng)是一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為(16±8)ms的重復(fù)序列。TP_IDL的傳輸可以在任何時(shí)候終止對(duì)于鏈路測(cè)試脈沖。

2.2 接收功能

MAU的接收功能提供將曼徹斯特碼數(shù)據(jù)從RD電路接收到DI電路的能力。當(dāng)不在DI電路上發(fā)送曼徹斯特碼數(shù)據(jù)時(shí)，MAU向DI電路發(fā)送idle信號(hào)。

在一個(gè)來自RD電路的接收開始時(shí)，從RD電路到DI電路響應(yīng)時(shí)間不超過5 BT數(shù)據(jù)時(shí)間。此外，它是允許數(shù)據(jù)幀的第一比特發(fā)送的是含有相沖突或無(wú)效的幅度。穩(wěn)態(tài)傳播延遲在DI電路和RD電路之間不得超過2 BT（比特時(shí)間）。全雙工的發(fā)送、接收功能狀態(tài)圖如圖1所示。

圖1 全雙工發(fā)送、接收功能狀態(tài)圖

2.3 回環(huán)功能（在半雙模式下工作）

在半雙工模式下，當(dāng)MAU向TD電路發(fā)送曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)時(shí)，提供將曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)從DO傳送到DI電路的能力。

當(dāng)MAU向TD電路發(fā)送數(shù)據(jù)，且沒有收到RD電路上的RD_input信息時(shí)，MAU應(yīng)當(dāng)將DO電路上接收到的信號(hào)發(fā)送給DI電路以便向回環(huán)提供發(fā)送信號(hào)。在TD電路分組發(fā)送開始時(shí)，，從DO電路到DI電路響應(yīng)時(shí)間不超過5 BT數(shù)據(jù)時(shí)間。此外，它是允許數(shù)據(jù)幀的第一比特發(fā)送的是含有相沖突或無(wú)效的幅度。穩(wěn)態(tài)傳播延遲在DI電路和RD電路之間不得超過1BT（比特時(shí)間）。

2.4 沖突檢測(cè)功能（在半雙模式下工作）

提供在RD和DO電路上檢測(cè)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的同時(shí)出現(xiàn)的能力，并報(bào)告這種碰撞事件。半雙工的發(fā)送、接收、回環(huán)和沖突檢測(cè)功能狀態(tài)圖如圖2所示。

圖2 半雙工發(fā)送、接收、回環(huán)、沖突檢測(cè)狀態(tài)圖

2.5 SQE測(cè)試功能

提供指示DTE的碰撞存在功能正常，并且該signal_quality_error消息可由MAU發(fā)送。

SQE測(cè)試功能應(yīng)當(dāng)由連接到半雙工模式DTEs的MAU執(zhí)行，而不是由連接到中繼器的MAU執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行SQE檢測(cè)時(shí)，MAU應(yīng)當(dāng)在SQE_test時(shí)長(zhǎng)持續(xù)給CI電路發(fā)送CS0信號(hào)。在DO電路最后一個(gè)傳輸上升沿后進(jìn)入SQE_test_wait時(shí)間，結(jié)束后進(jìn)去SQE_test時(shí)間。SQE_test值應(yīng)當(dāng)是(10±5)BT，SQE_test_wait值應(yīng)在0.6～1.6μs之間。這個(gè)功能應(yīng)當(dāng)使用盡可能多的正常沖突檢測(cè)和信號(hào)電路，而不在TD或DI電路上引入外來信號(hào)。

MAU允許連接到全雙工模式DTEs（但不是必須）以實(shí)現(xiàn)SQE測(cè)試功能。

對(duì)于SQE測(cè)試功能的狀態(tài)圖描述如圖3所示。

圖3 SQE測(cè)試功能狀態(tài)圖

2.6 Jabber功能

提供防止DO電路上的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的異常長(zhǎng)時(shí)間從無(wú)限期中斷網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)存在這種條件時(shí)，禁止通過發(fā)送和環(huán)回功能傳輸曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)。

MAU應(yīng)包含自我中斷能力，以防止DTE非法異常長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送。MAU應(yīng)當(dāng)提供一個(gè)窗口“xmit_max”，在此時(shí)間發(fā)送功能可以連續(xù)發(fā)送TD_output信息到TD電路。xmit_max的值應(yīng)當(dāng)在20 ～ 150 ms。

如果傳輸超過這個(gè)持續(xù)時(shí)間，Jabber功能將實(shí)現(xiàn)：

①抑制回環(huán)功能和TD_output信息發(fā)送；

②當(dāng)MAU連接在一個(gè)工作在半雙工模式DTE設(shè)備時(shí)，向CI電路發(fā)送CS0信號(hào)。

Jabber功能的狀態(tài)圖如圖4所示。

2.7 鏈路完整性測(cè)試功能

提供保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受連接到RD電路的單工鏈路故障的后果。當(dāng)存在這種故障，發(fā)送，接收和環(huán)回功能的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)傳輸被禁用。

圖4 Jabber功能狀態(tài)圖

3 功能測(cè)試

功能測(cè)試將對(duì)MAU功能描述中的主要功能進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試的功能有：發(fā)送功能、回環(huán)功能和SQE測(cè)試功能。本次測(cè)試用的仿真工具為Ques?ta Sim 10.1a。

3.1 發(fā)送功能

正如功能描述所述，MAU的發(fā)送功能是指將曼徹斯特碼數(shù)據(jù)從DO電路傳送到TD電路。

發(fā)送功能波形仿真圖如圖5所示。此圖中da?ta_out為上層傳遞的數(shù)據(jù)，td_one、td_zero和td_idle為MAU發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)送功能波形圖

3.2 環(huán)回功能

環(huán)回功能只有在半雙工模式才會(huì)存在，將曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)從DO傳送到DI電路。波形仿真圖如圖6所示。

圖6 回環(huán)功能波形圖

由于是回環(huán)測(cè)試，用loopback信號(hào)是否使能來控制是否使用回環(huán)功能。若使能，則data_out數(shù)據(jù)被回環(huán)到data_in;若禁止，即使data_out有數(shù)據(jù)，也不能回環(huán)到data_in。

3.3 SQE測(cè)試功能

指示到DTE的碰撞存在功能正常，并且該sig?nal_quality_error消息可由MAU發(fā)送。SQE測(cè)試功能波形仿真圖如圖7所示。

圖7 SQE測(cè)試功能波形圖

4 結(jié)論

本文主要介紹了10 M以太網(wǎng)PHY層的MAU，對(duì)基于10BASE-T的MAU進(jìn)行詳細(xì)的功能描述，最后給出了功能仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果的波形可以看出：基于10BASE-T的MAU可以很好的完成相應(yīng)的功能，達(dá)到了預(yù)期要求，為設(shè)計(jì)出更快速的以太網(wǎng)打好基礎(chǔ)。

[1]Spear Chris.System Verilog for Verification[M].America:Springer.com，2006.

[2]Bergeron Janick.夏宇聞,譯.SystemVerilog驗(yàn)證方法學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

[3]Pair FDDI Twisted,Physical Layer Medium Dependent(TP-PMD)[S].ANSI Standard X3.263:199x,1994.

[4]Hendriks P.Specifying Communications DAC.IEEE Spectrum.1997,34:57-69.

[5]ISO∕IEC 8802-3.Carrier Sense Multiple Access withCollision Detect(CSMA∕CD)Access Method andPhysical Layer Specifications[S].ANSI∕IEEE Standard 802.3 4th ed.1993：1-136,299-349,488-745.

〔責(zé)任編輯 高彩云〕

Design and Simulation of 10BASE-T Ethernet Physical Media Connection Unit

ZHAO Sen1,GUO Meng2,WANG Shi-kui2,WANG Xuan-ming2
(1.School of Microelectronics，Xidian University,Xi’an Shaanxi，710071;2.Xi'an Institute of Aeronautical Computing Technology,Xi’an Shaanxi，710068)

Ethernet technology occupies a large number of LAN market,which is currently the most widely used network technolo?gy.In order to achieve the localization of Ethernet equipment design,independent design of each site Ethernet physical connection unit(MAU)is essential.In this paper,the MAU is briefly described,and the state machine of the MAU function of 10BASE-T is studied.Fi?nally,the MAU main function is simulated.The results show that the self-designed 10BASE-T MAU lays the foundation for the devel?opment of Ethernet.

MAU；10BASE-T ；SQE

TP391

A

1674-0874(2017)05-0031-03

2017-06-15

趙森（1993-），男，山西運(yùn)城人，在讀碩士，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)；?郭蒙，男，高級(jí)工程師，通信作者。