最近笔者接到一个需求，需要外部其他soc设备通过EMAC通道来访问HPS，实现HPS与其他片上CPU的通信。我们的其它片上CPU通过FPGA的virtio进行数据交互，HPS的收发数据均需要导入到FPGA中或来源于FPGA。因此，需要对EMAC通道进行开发，通过EMAC通道与FPGA之间的以太网数据包传输，打通HPS-FPGA virtio-其他CPU之间的数据通路。本文记录了EMAC通道开发过程的设计思想，遇到的一些问题与解决方法。开发中所使用的工具为quartus prime pro 22.4，使用开发板型号为Agilex 7。

 

首先，我们需要生成HPS IP，并打开HPS的EMAC通道接口。HPS的生成方法在这里不再赘述。双击打开hps_top的platform designer系统，选中HPS IP，然后在详情中选择：pin mux and peripherals -> advanced -> advanced FPGA placement，选择EMAC 0的route to FPGA，打开EMAC0，并导入到FPGA。这里选择接口协议为GMII协议，不需要phy。选择完成后，点击apply。

auto place IP显示应当如下，HPS Quantity=0, FPGA Quantity=1。

我们在本次设计中，将EMAC通道设定为GMII协议接口。采用GMII接口协议，需要125M的时钟。如果没有，则需要在platform designer中新生成一个125M的clock bridge，连接到GMII的tx clk in和rx clk in。同时，emac接口和gtx clk接口要make external。

保存，并generate。现在整个HPS top已经包括了EMAC，并提供了gmii格式的接口。

接下来我们可以利用这个接口，在FPGA中实现与HPS进行以太网数据收发交互。

 

2.GMII协议EMAC接口的信号

我的工程与其他CPU进行数据交互，需要通过FPGA的virtio，而且virtio的数据接口格式是遵守Intel avalon stream协议的。因此，本文主要实现了一个GMII协议接口到avalon stream协议接口的转接装置。

首先，简要介绍一下gmii接口的信号和avalon stream接口的信号。HPS采用的emac接口是1000Mbps全双工gmii口，所需要的信号如下。

signal	i/o（相对于hps）	width	desc
gtx clk	o	1	TX时钟
rx clk	i	1	RX时钟
tx reset n	o	1	TX复位
rx reset n	o	1	RX复位
txd	o	8	TX数据
txen	o	1	TX发送数据有效
txer	o	1	TX发送数据错误
rxd	i	8	RX数据
rxdv	i	1	RX接收数据有效
rxer	i	1	RX接收数据错误
col	i	1	如果发生冲突则置为高
crs	i	1	载体检测， 未处于IDEL状态则为高电平，不与任何时钟信号同步。

 

此外，EMAC还提供了PTP功能，我们这里的工程暂时没有考虑。全双工模式下，也不需要考虑col和crs信号。收发时钟都采用125Mhz，直接从外界接入即可。因此，主要需要考虑tx和rx的6条数据信号。同时，emac通道的gmii协议需要增加前导码和CRC32校验。

avalon stream协议则是Intel FPGA设计中常用的驱动高带宽、低延迟、单向数据的总线协议。其主要接口如下。在我们的工程中，数据宽度n=512。

signal	width	desc
dat	n	数据
sop	1	首包置1
eop	1	末包置1
err	1	当前包数据错误
vld	1	当前包数据有效
mty	n/8	末包才生效，指示最后一包中的空字节数
sbd	m	边带
rdy	1	对端发来，对端已经准备就绪