Verilog开源项目——百兆以太网交换机（一）架构设计与Feature定义

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🔑全新原创以太网交换机项目，Blog内容将聚焦整体架构、模块设计方面；更新周期可能会略慢，希望朋友们多多包涵
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经过第一代的交换机项目后，博主也算对交换机有了更深的认识，但是第一代的Feature过于单一，架构简单，和市场化的交换机功能完全脱节。而在学习Switch Core的过程中，也没有找到什么完善的中文学习资料，所以博主准备进一步完善以太网交换机的项目，希望凭微薄之力，为想学习的同学们多整理一些资料。

第二代交换机有更丰富的feature，更贴近真正使用的功能，除rtl代码，详细设计文档外，还会包括验证环境、验证代码，最后项目完成后，会全部开源供大家学习，顺利的话，希望还能上FPGA进行原型验证。

为了便于称呼，我们将对第二代交换机项目取名为Atom，也意为之后一切项目的开始。

一、Atom Feature

考虑到对CPU暂时不熟悉，所以Atom没有设置控制端口，也没有独立的CPU承担固件功能。Atom定位于百兆Switch Core，将支持以下feature：

数据交换能力达到400Mbps，即4 Port x 100Mbps
支持2K MAC地址的存储与查询（包括MAC地址、Multicast table、VLAN table）
支持SM3或SHA-1的HASH算法
支持2MB的数据缓存区
支持基于端口的VLAN、基于tag的VLAN、基于流量类型的VLAN
支持全双工10/100 Mbps的MII接口
发送端、接收端MAC支持可配置的SM2/AES数据流加解密
支持802.3x Flow Control
支持QoS，基于Port优先级或基于帧优先级进行仲裁输出
支持多播、组播包的发送
支持基于QCN的拥塞管理
支持DPI深度包检测，进行流量类型区分，防火墙功能
支持Flush功能：全局Flush或者优先级Flush
支持风暴控制
支持基于L2层的流量筛选
支持Packet重标记
支持流量统计
支持流量重定向

二、Atom架构

Atom仍将支持4Port，接口也保留双工的10M/100MHz的MII，通过4个MAC接收/发送数据，支持SPI接口访问寄存器模块，对第一代交换机的MAC table进行扩展，还支持了Multicast table、VLAN table等。

Atom共分为9个模块：

MAC：分为RMAC和TMAC，包括L2 pause frame功能以及Switch Core v1的基本功能，支持SM2/AES加解密（可选）暂不实现完整的 MACsec IP；
PF（Packet Filter）：负责入口处的L2、L3 Packet过滤，带有DPI（深度包检测功能）；
PM（Packet Modifier）：负责出口处Packet header内容的修改；
DB（Data Buffer）：Atom的Packet缓存区，内部按优先级分为多条链表，所有Packet都缓存于此；
ENG（Switch Engine）：负责管理Packet的自学习、老化、查询等操作，并根据查询结果进一步返回给ENG；
TKM（Token Manager）：采用令牌桶算法，管理令牌数量；
QCN（Quantized Congestion Notification）：实现QCN算法，进行拥塞控制；
TBM（Table Manager）：实现SM-3/SHA-1的Hash算法，处理Hash冲突，负责管理多个Table；
CSR（Control and Status Register）：通过SPI读写Atom所有控制、统计寄存器，并将寄存器连接到各模块；