10BASE-T以太网物理介质连接单元的设计仿真

赵 森，郭 蒙，王世奎，王宣明

（1.西安电子科技大学微电子学院，陕西西安710071；2.西安航空计算技术研究所，陕西西安710068）

10BASE-T以太网物理介质连接单元的设计仿真

赵 森1，郭 蒙2∗，王世奎2，王宣明2

（1.西安电子科技大学微电子学院，陕西西安710071；2.西安航空计算技术研究所，陕西西安710068）

以太网技术占据了大量的局域网市场，是目前应用最广泛的网络技术，为实现以太网设备的国产化设计，自主设计以太网各个站点的物理介质连接单元（MAU）至关重要。本文对MAU进行简要描述，研究了10BASE-T的MAU功能的状态机；最后对MAU主要功能进行了仿真测试。结果表明：自主设计的10BASE-T的MAU为研制以太网奠定了基础。

MAU；10BASE-T；SQE

近年来，以太网技术的发展，使得我们能够享受到互联网网络带给我们的信息化便捷生活。以太网以其开放性、可平滑升级性、结构简单、管理方便、价格低廉等优点赢得了局域网技术的主导地位。虽然以太网应用广泛，但是以太网的设计也是一大难题。本文研究10 M以太网PHY层的MAU的功能，并对主要功能进行测试。

1 MAU概述

1.1 功能简介

MAU通过来自DTE或中继器在AUI电路上产生三个信号的方式将信息耦合到双绞线链路段。MAU具有发送、接收、回环、冲突检测等功能，用来处理DTE或中继器到双绞线之间的信息流。

1.2 特性

（1）通过AUI使PLS子层与基带双绞线链路耦合；

（2）支持10 Mb∕s的数据传输速率；在不提供中继器的情况下在0到至少100 m的双绞线上工作；

（3）允许DTE或中继器确认MAU的操作和介质的可用性；

（4）支持用CSMA∕CD方式配置基带信令；

（5）支持MAU之间点对点连接；当中继器有多个端口时，支持星型拓扑结构；

（6）允许半双工操作或全双工操作。

2 MAU功能描述

2.1 发送功能

MAU的发送功能提供将曼彻斯特码数据从DO电路传送到TD电路的能力。当不在TD电路上发送曼彻斯特码数据时，MAU向TD电路发送idle信号。

在一个从MAC层来的数据帧开始传送时，从D0电路接收到信号到TD电路的响应时间不超过2 BT的数据时间。此外，它是允许数据帧的第一比特发送的是含有相冲突或无效的幅度。所发送的第二位MAU连接到TD电路应按照正确的时序和信号电平进行传输。稳态传播延迟在DO电路的输入和TD电路之间不得超过2 BT（比特时间）。

对于任何分隔小于9.6μs相邻数据帧，建立时间不得大于第二个数据帧超过2 BT。只要TD电路上没有数据发送时，此时通路处于空闲状态，TD电路上应发TP_IDL信号。TP_IDL是处于闲置状态的开始。它应是一个时长为(16±8)ms的重复序列。TP_IDL的传输可以在任何时候终止对于链路测试脉冲。

2.2 接收功能

MAU的接收功能提供将曼彻斯特码数据从RD电路接收到DI电路的能力。当不在DI电路上发送曼彻斯特码数据时，MAU向DI电路发送idle信号。

在一个来自RD电路的接收开始时，从RD电路到DI电路响应时间不超过5 BT数据时间。此外，它是允许数据帧的第一比特发送的是含有相冲突或无效的幅度。稳态传播延迟在DI电路和RD电路之间不得超过2 BT（比特时间）。全双工的发送、接收功能状态图如图1所示。

图1 全双工发送、接收功能状态图

2.3 回环功能（在半双模式下工作）

在半双工模式下，当MAU向TD电路发送曼彻斯特编码数据时，提供将曼彻斯特编码数据从DO传送到DI电路的能力。

当MAU向TD电路发送数据，且没有收到RD电路上的RD_input信息时，MAU应当将DO电路上接收到的信号发送给DI电路以便向回环提供发送信号。在TD电路分组发送开始时，，从DO电路到DI电路响应时间不超过5 BT数据时间。此外，它是允许数据帧的第一比特发送的是含有相冲突或无效的幅度。稳态传播延迟在DI电路和RD电路之间不得超过1BT（比特时间）。

2.4 冲突检测功能（在半双模式下工作）

提供在RD和DO电路上检测曼彻斯特编码数据的同时出现的能力，并报告这种碰撞事件。半双工的发送、接收、回环和冲突检测功能状态图如图2所示。

图2 半双工发送、接收、回环、冲突检测状态图

2.5 SQE测试功能

提供指示DTE的碰撞存在功能正常，并且该signal_quality_error消息可由MAU发送。

SQE测试功能应当由连接到半双工模式DTEs的MAU执行，而不是由连接到中继器的MAU执行。当执行SQE检测时，MAU应当在SQE_test时长持续给CI电路发送CS0信号。在DO电路最后一个传输上升沿后进入SQE_test_wait时间，结束后进去SQE_test时间。SQE_test值应当是(10±5)BT，SQE_test_wait值应在0.6～1.6μs之间。这个功能应当使用尽可能多的正常冲突检测和信号电路，而不在TD或DI电路上引入外来信号。

MAU允许连接到全双工模式DTEs（但不是必须）以实现SQE测试功能。

对于SQE测试功能的状态图描述如图3所示。

图3 SQE测试功能状态图

2.6 Jabber功能

提供防止DO电路上的曼彻斯特编码数据的异常长时间从无限期中断网络上接收数据的能力。当存在这种条件时，禁止通过发送和环回功能传输曼彻斯特编码的数据。

MAU应包含自我中断能力，以防止DTE非法异常长时间发送。MAU应当提供一个窗口“xmit_max”，在此时间发送功能可以连续发送TD_output信息到TD电路。xmit_max的值应当在20 ～ 150 ms。

如果传输超过这个持续时间，Jabber功能将实现：

①抑制回环功能和TD_output信息发送；

②当MAU连接在一个工作在半双工模式DTE设备时，向CI电路发送CS0信号。

Jabber功能的状态图如图4所示。

2.7 链路完整性测试功能

提供保护网络免受连接到RD电路的单工链路故障的后果。当存在这种故障，发送，接收和环回功能的曼彻斯特编码数据传输被禁用。

图4 Jabber功能状态图

3 功能测试

功能测试将对MAU功能描述中的主要功能进行测试。主要测试的功能有：发送功能、回环功能和SQE测试功能。本次测试用的仿真工具为Ques⁃ta Sim 10.1a。

3.1 发送功能

正如功能描述所述，MAU的发送功能是指将曼彻斯特码数据从DO电路传送到TD电路。

发送功能波形仿真图如图5所示。此图中da⁃ta_out为上层传递的数据，td_one、td_zero和td_idle为MAU发出的数据。

图5 发送功能波形图

3.2 环回功能

环回功能只有在半双工模式才会存在，将曼彻斯特编码数据从DO传送到DI电路。波形仿真图如图6所示。

图6 回环功能波形图

由于是回环测试，用loopback信号是否使能来控制是否使用回环功能。若使能，则data_out数据被回环到data_in;若禁止，即使data_out有数据，也不能回环到data_in。

3.3 SQE测试功能

指示到DTE的碰撞存在功能正常，并且该sig⁃nal_quality_error消息可由MAU发送。SQE测试功能波形仿真图如图7所示。

图7 SQE测试功能波形图

4 结论

本文主要介绍了10 M以太网PHY层的MAU，对基于10BASE-T的MAU进行详细的功能描述，最后给出了功能仿真结果。从仿真结果的波形可以看出：基于10BASE-T的MAU可以很好的完成相应的功能，达到了预期要求，为设计出更快速的以太网打好基础。

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

[2]Bergeron Janick.夏宇闻,译.SystemVerilog验证方法学[M].北京：清华大学出版社,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.

〔责任编辑 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

赵森（1993-），男，山西运城人，在读硕士，研究方向：集成电路设计；∗郭蒙，男，高级工程师，通信作者。