千兆以太網(wǎng)物理層收發(fā)器功能測試方法

劉文元

（中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050011）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備需求量與日俱增，而負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)編碼和傳輸?shù)奈锢韺邮瞻l(fā)器的需求量也隨之增長。在加快集成電路產(chǎn)業(yè)自主可控步伐的趨勢下，PHY 芯片的研發(fā)工作正如火如荼地進行。

芯片的測試工作，是芯片在流片完成之后，交付給客戶之前的重要一環(huán)，旨在驗證芯片的硬件功能，為終端用戶提供驅(qū)動程序的代碼原型。在產(chǎn)業(yè)實踐中，對于PHY 的UVM驗證工作雖有文獻可參考，但對于PHY 芯片的板級測試問題，尚無統(tǒng)一的標準，需要開發(fā)者自己按照PHY 的數(shù)據(jù)手冊編寫驅(qū)動。若沒有PHY 芯片廠商提供直接的技術(shù)支持，調(diào)試過程就會面臨苦難。

考慮到用戶可能會面臨的PHY 調(diào)試問題，基于一款自主研發(fā)的GPHY（Gigabit Physical Layer Transceiver）的功能驗證工作，本文首先介紹了GPHY 測試系統(tǒng)的架構(gòu)，也即GPHY 的典型使用場景；然后著重論述了測試程序的設(shè)計，提出了將數(shù)據(jù)分階段loopback 的測試方法；最后展示了測試過程中的系統(tǒng)日志和基于LwIP 的網(wǎng)絡(luò)實驗結(jié)果。希望能為同行的以太網(wǎng)PHY 功能測試和應(yīng)用開發(fā)提供參考經(jīng)驗。

1 測試系統(tǒng)架構(gòu)

以太網(wǎng)是遵守IEEE 802.3 標準的局域網(wǎng)，TCP/IP 參考模型中的物理層（PHY）一般由專用的數(shù)模混合集成電路來實現(xiàn)，即PHY 芯片，而與之直接交互的就是數(shù)據(jù)鏈路層中的介質(zhì)訪問控制子層（MAC），因此PHY 芯片的功能驗證離不開MAC 的支持。

為了驗證GPHY 的功能，本文選取了一種基于Cortex-M4 內(nèi)核的32 位微控制器（MCU），它的APB 總線上掛載的以太網(wǎng)外設(shè)模塊支持千兆速率MAC（GMAC）的功能。以太網(wǎng)外設(shè)模塊中還集成了站管理接口（SMI），專門用于和外部PHY 之間的通信，以訪問PHY 芯片的寄存器。MCU 與GPHY 通過標準的千兆介質(zhì)獨立接口（GMII）來連接，GMII 提供了時鐘和數(shù)據(jù)的傳輸途徑。

為便于在線調(diào)試和單步跟蹤，選擇了使用非常廣泛的Keil-5 作為測試程序的開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境自帶了交叉編譯工具，方便用戶移植本測試程序到特定的應(yīng)用場景。程序的在線調(diào)試與跟蹤依賴調(diào)試器CMSIS-DAP Debugger，它通過Jtag 接口與MCU 相連接，通過USB 接口與PC 相連接。此外，MCU 的UART 通過RS232 與PC 的串口相連接，在PC端開啟串口調(diào)試助手，可以查看包括了程序運行狀態(tài)、PHY寄存器狀態(tài)和測試信息的系統(tǒng)日志。PC 機上的網(wǎng)線通過水晶頭插在RJ-45 上，RJ-45 與PHY 芯片之間有一個負責電壓變換的器件H5007，二者之間的引線MDI+/-上傳輸?shù)氖遣罘中盘枴PHY 測試系統(tǒng)的架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 GPHY 測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 測試程序設(shè)計

為了方便逐級厘清PHY 測試中的問題，本文根據(jù)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號的流經(jīng)途徑，設(shè)計了兩種類型的環(huán)回測試，內(nèi)部環(huán)回和外部環(huán)回分別如圖2和圖3所示。

圖2 GPHY 內(nèi)部環(huán)回結(jié)構(gòu)圖

圖3 GPHY 外部環(huán)回結(jié)構(gòu)圖

PHY 內(nèi)部環(huán)回用以檢查PHY 內(nèi)部數(shù)據(jù)流是否正常。期望的正常情況是 RXD[7：0]上的信號與TXD[7：0]上的信號相同，只是存在一段短暫時間上的滯后。在測試程序內(nèi)部，邏輯應(yīng)這樣設(shè)計：數(shù)據(jù)發(fā)送后，比較接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)差異，即可判斷該項測試是否通過。若數(shù)據(jù)相同，則符合預(yù)期，測試通過；否則，測試未通過，這時系統(tǒng)會通過串口打印出數(shù)據(jù)差異的所在位置和錯誤提示信息。在PC 機上，開發(fā)人員根據(jù)這些日志，便可迅速定位問題。

在進行外部環(huán)回測試前，需要在RJ-45 上插入一個特制的水晶頭。該水晶頭的差分信號線要按照圖3所示，把對應(yīng)的差分信號線進行互連，水晶頭插入RJ-45 后，就實現(xiàn)外部環(huán)回測試所需的信號連接。外部環(huán)回與內(nèi)部環(huán)回的測試程序是一致的，差異點僅在于：外部環(huán)回模式要把GPHY 的0地址寄存器中的bit14 清零，以解除內(nèi)部環(huán)回模式。

環(huán)回測試的流程如圖4所示，其主要完成了如下6 項內(nèi)容。

圖4 環(huán)回測試流程圖

（1）設(shè)定系統(tǒng)時鐘，給APB 總線上的ETH 模塊提供125 MHz 的PLLCLK。

（2）UART 初始化，將UART 速率配置為“115 200 bps，8 bit，無校驗位”格式。通過重定義標準庫中的fputc實現(xiàn)對printf 函數(shù)的重定向，從而在日志中使用printf 格式化運行過程中變量，如寄存器的值、錯誤類型等，重定向的實現(xiàn)代碼如下所示：

在調(diào)試階段，我們期望盡可能詳細地觀察程序運行過程中的狀態(tài)，而調(diào)試完成后，只想看關(guān)鍵的運行結(jié)果，忽略調(diào)試階段加入的日志。為了實現(xiàn)這一目的，通過如下所示的宏函數(shù)來輸出系統(tǒng)日志，便可動態(tài)地調(diào)整的日志等級。例如，當調(diào)試完畢后，進行循環(huán)的壓力測試時，可以把宏函數(shù)LOG()中的“l(fā)evel＞=DBG”修改為，“l(fā)evel＞=INFO”，那么調(diào)試階段所加入的DBG 等級的日志便不會輸出。

（3）為了測試不同速率(10M-Base/100M-Base/1000MBase)、雙工/ 半雙工(Full/Half Duplex)、環(huán)回/ 非環(huán)回(Loopback/Non-Loopback)、是否自協(xié)商 (Auto-Negotiation)等模式的組合情況，我們設(shè)計了統(tǒng)一的多參數(shù)函數(shù)，來對PHY 寄存器的設(shè)定內(nèi)容進行封裝，函數(shù)聲明如下所示：

int PHY_TEST(int rate, bool duplex, bool loopback, bool Auto-Neg);

PHY 寄存器的讀寫依賴SMI 接口，我們封裝了讀寫操作的API，其聲明如下：

unsigned short SMI_Read(unsigned short Address)；

void SMI_Write(unsigned short Address, unsigned short Data)；

因為IEEE802.3 規(guī)定的PHY 寄存器的地址和數(shù)據(jù)寬度都是16 比特，故采用unsigned short（無符號半字）類型作為形參和返回值的類型。SMI_Read()用于查詢PHY 的狀態(tài)標志位，如Link 狀態(tài)、速度模式、自動交叉線等。SMI_Write()用于把PHY_TEST()傳入的形參寫入到PHY 的寄存器對應(yīng)的比特位。

（4）在設(shè)定以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，我們把源地址和目標地址固定下來，數(shù)據(jù)段長度設(shè)定為最大1 500，類型為ARP 數(shù)據(jù)包，除了地址和包長度之外，其他數(shù)據(jù)使用rand()生成的偽隨機數(shù)來填充，這樣隨機化的數(shù)據(jù)讓測試更接近真實使用PHY 時的情況。

（5）為實現(xiàn)對ETH_DMA 接收和發(fā)送描述符的設(shè)定，編寫了如下的API：

void ETH_DMA_Desc(void *TxBuf, int TxSize, void*RxBuf, int RxSize);

ETH 發(fā)送數(shù)據(jù)時，ETH_DMA 從地址TxBuf 處搬移數(shù)據(jù)到GMII_TXD[7:0];ETH 接收數(shù)據(jù)時，ETH_DMA 從GMII_RXD[7:0]搬移數(shù)據(jù)到RxBuf。

（6）查詢ETH_MAC 的接收標志位，若沒有置位則循環(huán)查詢，當循環(huán)的累積的次數(shù)超過了設(shè)定的上限，說明沒有接收到數(shù)據(jù)，使用如下語句輸出錯誤日志：

LOG(ERR,“ Receive polling timeout”);

若查詢到ETH_MAC 的接收標志置為1 時，表示接收到了有效數(shù)據(jù)，并且接收已完成，這時通過對比接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容與發(fā)送時的數(shù)據(jù)包內(nèi)容，如相同，則表明PHY 功能正常；如不同，則用如下語句輸出錯誤日志：

LOG(ERR, “Index:%u, Expect: %u，Real:%u ”, i,TxBuf[i], RxBuf[i]);

為了檢驗GPHY 穩(wěn)定性，在main 函數(shù)內(nèi)，循環(huán)調(diào)用PHY_TEST()，內(nèi)部環(huán)回和外部環(huán)回測試若都能通過，即可證明GPHY 功能正常。GPHY 的功能有保障后，再移植TCP/IP 協(xié)議棧LwIP，不需要操作系統(tǒng)，即可實現(xiàn)ping 命令測試、TCP-Server 等功能。

3 測試結(jié)果

內(nèi)部環(huán)回和外部環(huán)回的測試結(jié)果如圖5、圖6所示，圖中展示的是壓力測試過程中的系統(tǒng)日志，cnt 表示測試的計數(shù)，每循環(huán)調(diào)用一次PHY_TEST()；[result]后的內(nèi)容表示測試的結(jié)果，fail 或pass。

圖5 內(nèi)部環(huán)回測試結(jié)果

圖6 外部環(huán)回測試結(jié)果

環(huán)回測試完成后，確保了PHY 可工作正常，通過LwIP協(xié)議棧，可以實現(xiàn)MCU 作為TCP Server，在window 的命令行中，用ping 來測試PC 機與MCU 之間的網(wǎng)絡(luò)通路，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 ping 測試結(jié)果

同時借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，在PC 機上通過TCP Client 協(xié)議，連接上作為TCP Server 的MCU，我們在MCU 的應(yīng)用程序里設(shè)計Server 將收到的數(shù)據(jù)，再發(fā)送回給client，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 TCP-Server 測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文介紹了千兆以太網(wǎng)物理層收發(fā)器測試系統(tǒng)的架構(gòu)，提出了根據(jù)數(shù)據(jù)流分階段對GPHY 進行環(huán)回測試的方法，闡述了環(huán)回測試程序的設(shè)計和實現(xiàn)，其中設(shè)計的可分級調(diào)整的日志系統(tǒng)與統(tǒng)一的測試函數(shù)接口，方便了多輪循環(huán)壓力測試。最后，展示的兩種環(huán)回測試的日志和基于LwIP 的ping與TCP-Server 測試結(jié)果，表明本文提出的測試方法科學有效，有利于快速定位問題，代碼易于復(fù)用，同時可以為其他PHY 測試工作提供參考。