Design, implementation, and test of a tri-mode Ethernet MAC on an FPGA

Kerling, Philipp

Ethernet ist eine ausgereifte Kommunikationstechnologie mit vielen Vorteilen für Sensornetzwerke und einer Vielzahl anderer Einsatzbereiche. Anwendungen interagieren mit einer sogenannten Media-Access-Control-(MAC)-Unterschicht, um Pakete vom Netzwerk zu empfangen und zu versenden. Diese Arbeit stellt den Entwurf, die Implementierung und den Test einer in VHDL umgesetzten MAC-Schicht für Ethernet auf FPGAs vor. Die Kommunikation mit einem integrierten Schaltkreis, der die Bitübertragungsschicht von Ethernet umsetzt, erfolgt über das standardisierte Media-Independent Interface (MII) in den Varianten MII und GMII. Dabei werden Verbindungsgeschwindigkeiten von 10, 100 und 1000 Mb/s im Vollduplex-Modus unterstützt. Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen liegt der Schwerpunkt des Entwurfs auf Einfachheit sowohl in der externen Benutzung als auch den internen Abläufen. Benutzern kommt die unkomplizierte FIFO-Schnittstelle zugute, mit der sie gleichzeitig bei nahezu voller Gigabit-Ethernet-Geschwindigkeit senden und empfangen können. Die MAC-Schicht wurde für ein GigaBee-Mikromodul der Trenz Electronic GmbH mit einem FPGA der Spartan-6-Familie von Xilinx entworfen und ebenfalls damit geprüft.

Ethernet is a mature communication technology with a sizable number of advantages for sensor networks and many other use cases. Applications interact with a media access control (MAC) sublayer to get packets from and to the network. This thesis presents the design, implementation, and test of an Ethernet MAC targeted at FPGAs in VHDL. It supports full-duplex interfacing with an Ethernet physical layer integrated circuit via the standard media-independent interface (MII) variants MII and GMII at link speeds of 10, 100, and 1000 Mb/s. In contrast to prior solutions, it is devised primarily with simplicity in mind, both in external usage and in internal operation. Users benefit from the straightforward FIFO interface offered while nevertheless being able to send and receive at almost full Gigabit Ethernet speed. The solution is designed for and verified on a Trenz Electronic GmbH GigaBee micromodule with a Xilinx Spartan-6 family FPGA.

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Kerling, Philipp: Design, implementation, and test of a tri-mode Ethernet MAC on an FPGA. Ilmenau 2019.

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