最近筆者接到一個需求，需要外部其他soc設備通過EMAC通道來訪問HPS，實現HPS與其他片上CPU的通信。我們的其它片上CPU通過FPGA的virtio進行數據交互，HPS的收發數據均需要導入到FPGA中或來源于FPGA。因此，需要對EMAC通道進行開發，通過EMAC通道與FPGA之間的以太網數據包傳輸，打通HPS-FPGA virtio-其他CPU之間的數據通路。本文記錄了EMAC通道開發過程的設計思想，遇到的一些問題與解決方法。開發中所使用的工具為quartus prime pro 22.4，使用開發板型號為Agilex 7。

 

首先，我們需要生成HPS IP，并打開HPS的EMAC通道接口。HPS的生成方法在這里不再贅述。雙擊打開hps_top的platform designer系統，選中HPS IP，然后在詳情中選擇：pin mux and peripherals -> advanced -> advanced FPGA placement，選擇EMAC 0的route to FPGA，打開EMAC0，并導入到FPGA。這里選擇接口協議為GMII協議，不需要phy。選擇完成后，點擊apply。

auto place IP顯示應當如下，HPS Quantity=0, FPGA Quantity=1。

我們在本次設計中，將EMAC通道設定為GMII協議接口。采用GMII接口協議，需要125M的時鐘。如果沒有，則需要在platform designer中新生成一個125M的clock bridge，連接到GMII的tx clk in和rx clk in。同時，emac接口和gtx clk接口要make external。

保存，并generate。現在整個HPS top已經包括了EMAC，并提供了gmii格式的接口。

接下來我們可以利用這個接口，在FPGA中實現與HPS進行以太網數據收發交互。

 

2.GMII協議EMAC接口的信號

我的工程與其他CPU進行數據交互，需要通過FPGA的virtio，而且virtio的數據接口格式是遵守Intel avalon stream協議的。因此，本文主要實現了一個GMII協議接口到avalon stream協議接口的轉接裝置。

首先，簡要介紹一下gmii接口的信號和avalon stream接口的信號。HPS采用的emac接口是1000Mbps全雙工gmii口，所需要的信號如下。

signal	i/o（相對于hps）	width	desc
gtx clk	o	1	TX時鐘
rx clk	i	1	RX時鐘
tx reset n	o	1	TX復位
rx reset n	o	1	RX復位
txd	o	8	TX數據
txen	o	1	TX發送數據有效
txer	o	1	TX發送數據錯誤
rxd	i	8	RX數據
rxdv	i	1	RX接收數據有效
rxer	i	1	RX接收數據錯誤
col	i	1	如果發生沖突則置為高
crs	i	1	載體檢測， 未處于IDEL狀態則為高電平，不與任何時鐘信號同步。

 

此外，EMAC還提供了PTP功能，我們這里的工程暫時沒有考慮。全雙工模式下，也不需要考慮col和crs信號。收發時鐘都采用125Mhz，直接從外界接入即可。因此，主要需要考慮tx和rx的6條數據信號。同時，emac通道的gmii協議需要增加前導碼和CRC32校驗。

avalon stream協議則是Intel FPGA設計中常用的驅動高帶寬、低延遲、單向數據的總線協議。其主要接口如下。在我們的工程中，數據寬度n=512。

signal	width	desc
dat	n	數據
sop	1	首包置1
eop	1	末包置1
err	1	當前包數據錯誤
vld	1	當前包數據有效
mty	n/8	末包才生效，指示最后一包中的空字節數
sbd	m	邊帶
rdy	1	對端發來，對端已經準備就緒