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华中科技大学
硕士学位论文
基于FPGA的以太网MAC协议的设计与实现
姓名:严力
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:程文青
2011-01-09
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着互联网的飞速发展,以太网的应用也越来越广泛,速度也越来越快。在网
络安全领域,通常使用网络过滤设备来对大量的以太网数据包进行分析。网络过滤
设备正常工作的关键是对以太网数据包的正确收发,而这也正是以太网 MAC(媒体
接入控制)层的主要功能。以太网 MAC 协议的设计实现,在以太网的相关应用中有
十分重要的作用。同时,采用 FPGA 作为设计实现的载体,可以缩短开发周期,为
调试修改提供便利。
本文在对 MAC 协议进行分析理解的基础上,将整个 MAC 协议的实现分为数据
接收,数据发送和控制管理三个部分,并说明了他们之间的相互关系。此外,各个
部分按照数据流向和具体功能又划分了若干个子模块。数据接收和发送部分主要划
分了接口转换,前导帧处理,校验码处理等模块,负责对发送和接收的数据进行处
理分析。控制管理部分则为外部调试与配置提供了相应的接口,包括流量统计信息
的读取,外部 PHY 芯片的配置等。在详细阐述了各模块的设计实现之后,本文针对
系统特点,搭建了仿真平台,给出了模块级和系统级的仿真结果,最后在硬件上测
试之后,对仿真和测试的结果进行了分析。
本文设计实现的 MAC 协议以 Altera 公司的 Cyclone 3 系列的 FPGA 芯片为载体,
运用 Verilog HDL 语言进行 RTL 级别的功能描述,能够实时地处理千兆的网络数据
流量,并且可以通过 CPU 总线对外部 PHY 芯片进行配置,达到了预期的目标。

关键词: 以太网, MAC, FPGA, Verilog
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
With the rapid development of , applications are increasingly used,
and their speed is faster and faster. In the field work security, we typically use
network filtering devices to analyse packets. To work filtering devieces
work properly, the key is correctly to send and receive data packets, and this is
also the media access control (MAC) layer's main function. The design and
implementation of MAC has an important role in related applications. Meanwhile,
as the design and implementation carrier, FPGA can shorten the development cycle and
makes debugging very convenient.
Based on the analysis of MAC protocols, this paper divides the implementation into
three parts, including data reception, data transmission and management. In addition, we
use diagram to show the relationship between these three parts, which are further divided
according to the data processing flow and specific features. The data reception and
transmission parts are responsile for data analysis and processing, which mainly include
interface conversion, leading frame and checksum processing modules. The management
part provides a debugging and configurati