Essenceia/Until_Heat_Death_Do_Us_Part

来源：https://github.com/Essenceia/Until_Heat_Death_Do_Us_Part

计数至宇宙热寂

一款 ASIC，配备足够大的计数器，理论上可计数至宇宙热寂。 每 20 纳秒递增一次计数器值，每秒通过 100Mbps 以太网广播一个以太网帧，内含当前计数器值——反正也没人会长时间监听。

假设宇宙在大约 10^{100} 年后消亡。如果你有耐心等到那时，当计数器最终溢出时，藏着一个小彩蛋。

芯片布局图

快速入门见文档。

末日计数器

无需害怕，在计数器溢出之前，太阳早已吞噬我们这颗脆弱的星球。

假设大冻结在 10^{100} 年后到来，且我们以 50MHz 运行，则有：

• 每秒 `50 \times 10^6` 个时钟周期
• 每天 `50 \times 10^6 \times 60 \times 60 \times 24` 个时钟周期
• 每年 `50 \times 10^6 \times 60 \times 60 \times 24 \times 365.25` 个时钟周期
• 到大冻结共有 `50 \times 10^6 \times 60 \times 60 \times 24 \times 365.25 \times 10^{100}` 个时钟周期

因此，我们至少需要一个大小为 `\log_2(50 \times 10^6 \times 60 \times 60 \times 24 \times 365.25 \times 10^{100}) = 382.679718 \approx 383` 位的计数器。

软件支持

为了帮助你嗅探本地网络流量并解析以太网帧，我在 tools 文件夹下提供了 packet_receiver 程序——以防到那时大家都忘了怎么编程。如果编译器还存在，可以用以下命令构建：

cd tools
make

运行时要将希望嗅探的网络接口作为第一个参数指定，另外，需要 sudo 权限。

例如：

sudo ./packet_receiver wlp3s0

目前，它将计数器值解析为 uint64_t 类型，因此理论上这只会在未来 11680 年内正常工作。我知道这令人担忧，你也一定对明知故犯地发布有缺陷软件这种草率工程行为感到震惊——我听到你的声音了。但让我们先让人类度过“纪元危机”（https://en.wikipedia.org/wiki/Year_2038_problem），再来纠结这个问题吧。

遇到 bug 时请直接提交 issue，如果我有空就会修复。

100Mbps 以太网

本项目复用了 Teapot 以太网加速器封装（https://github.com/Essenceia/Teapot），用于通过 CAT-3/5 网线以全双工模式进行 100Mbps 以太网通信。希望到那时还有人记得如何用以太网对话。

以太网数据包

该封装工作在第 2 层以太网数据包层面，即以太网帧级别。支持两种类型的包：

• 应用数据包，ethtype = 0x88B5，由加速器发送
• 配置数据包，ethtype = 0x88B6，用于设置 ASIC 的 MAC 地址、VLAN ID 以及 TX 相位选择

所有目的 MAC 与 ASIC 当前 MAC 地址不匹配的数据包将被过滤掉。除非另行指定，ASIC 的 MAC 地址为 00:90:CF:00:BE:EF（读作 Nortel:BEEF）。

应用数据包

末日计数器不监听任何传入数据包（反正我们都快死了），而是每秒广播一次当前计数器值。就像一个可爱的信标，永远提醒着广袤的虚空：曾经有一群猿类，他们以观看猫咪视频为宗教仪式，他们曾存在于此。

响应帧格式：

[ 目的 MAC (6 字节) FF:FF:FF:FF:FF:FF ][ 源 MAC (6 字节) ][ ethtype = 0x88B5 (2 字节) ][ 魔数 (2 字节) 0xCAFE ][ 计数器 (48 字节) ][ FCS (4 字节) ]

计数器值和魔数均以小端序发送，粒度为 1 字节（标准方式）。

配置数据包

配置数据包用于设置 ASIC 当前的：

• MAC 地址
• VLAN ID
• TX 数据到时钟的相位偏移

这些数据包不会被转发到加速器，因此不提供接收确认。此外，由于面积限制，这些配置不会被存储转发。任何损坏的数据包都会导致配置损坏。

数据包格式：

[ 目的 MAC (6 字节) ][ 源 MAC (6 字节) ][ ethtype = 0x88B6 (2 字节) ][ 新 MAC (6 字节) ][ 填充 (3 位)][ VID (12 位)][ 填充 (38 字节) ][ FCS (4 字节) ]

除非另行配置，应用数据包使用 ethertype 0x88B6，这是 IEEE 802.3 规定的第二个“本地实验性 Ethertype”，Linux 网络库并不知晓其存在。所以请相信我：它是真实存在的。

配置参数

MAC 地址

ASIC 当前 MAC 地址。所有目的 MAC 不匹配此地址的数据包将被过滤掉，所有响应将使用此地址作为源地址。

默认 MAC：00:90:CF:00:BE:EF（读作 Nortel:BEEF）

VLAN ID

对于带有 VLAN 标记的数据包，不匹配当前 VLAN ID 的数据包将被过滤掉。如果没有 VLAN 标记，则视为属于当前 VLAN。

默认 VLAN ID：0xDAD

配置引脚

TX 数据与参考时钟的相位偏移

为了补偿由时钟输入引脚到小型 tapeout 设计的数据输出触发器，再返回到输出引脚的路径延迟导致的输出数据与参考时钟的偏移，数据输出触发器的参考时钟是可选的，允许使用 180 度反相的参考时钟。

该反相配置在复位期间根据 tx_phase 引脚的状态捕获。

取值：

• 0：无相移
• 1：180 度相移

假设

设计将使用官方 Microchip LAN8720A 子板（https://www.microchip.com/en-us/development-tool/AC320004-3#Overview）进行测试。

本 ASIC 将支持 100Mbps 以太网，基于以下假设：

• PHY 使用 Microchip LAN8720A(I) 芯片实现
• 外部网络为全双工
  • 在 ASIC 中放弃对 CRS 的支持
• 不支持 10Mbps
  • 禁用自动协商
• LAN8720A 的时钟由与 ASIC 共享的外部时钟提供
• 来自 LAN8720A 的流被视为无间隙；任何数据包间隙都会导致正在进行的包被标记为包含错误

MAC 行为

本 MAC 支持：

• 巨帧，最大 9000 字节
• VLAN 标记（802.21Q）

MAC 将过滤掉所有不匹配配置的目的 MAC 地址的单播数据包。这意味着所有广播和多播数据包都会被转发。

致谢

感谢 Reddit 上的 thegreatpotatogod 用这个糟糕的想法启发了我；感谢 Tiny Tapeout 项目及其贡献者；感谢所有致力于开源硅片工具社区的人们，是你们让这一切成为可能。