基于IEEE1588协议的工业以太网控制芯片的设计

作     者：曹煜 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴东平

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：工业以太网 MAC控制器 IEEE802.3协议 IEEE1588协议 时钟同步 

摘      要：以太网凭借其成本低廉、支持广泛等优势逐渐进军工业控制领域,称之为工业以太网。工业以太网应既能兼容标准商用以太网又要能满足工业控制对实时性的需求。目前,业内各大公司与组织提出的工业实时以太网方案虽不尽相同,但为了保证兼容性,其物理层（PHY）与媒介接入控制层（MAC）多采用标准以太网IEEE802.3协议;为了提高实时性,多采用IEEE1588协议作为时间同步标准,且在物理层或MAC层增加硬件协助以进一步提高时钟同步精度。 鉴于此,本文着力于设计一款兼容标准以太网、支持IEEE1588时钟同步协议,能用于工业实时以太网解决方案的网络控制层芯片,也即MAC层芯片。具体来讲,本文主要做了以下几项工作： 首先,简要分析了现有的工业实时以太网解决方案,提出设计支持IEEE1588协议的以太网控制芯片的必要性及可行性。 其次,详细介绍了标准以太网IEEE802.3协议中与MAC层相关的内容,并基于IEEE1588协议第二版内容分析了时钟同步的原理及影响时钟同步的因素。此外还分析了用于以太网时钟同步的硬件时钟方案。 之后,根据对IEEE802.3协议及IEEE1588协议的分析,提出了整个芯片的设计方案,并用verilog语言实现了兼容IEEE802.3协议、IEEE1588协议,支持Wishbone总线、采用频率补偿硬件时钟的网络控制芯片。 最后,设计了Wishbone总线、PHY芯片的行为模型,对设计的芯片进行RTL级验证;使用Altera公司的FPGA及PC机搭建硬件测试平台,对芯片进行FPGA原型验证,结果表明所设计的芯片能与PC机进行正常通信,支持IEEE1588协议时钟同步功能。