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適用于板卡型號：

PGL22G

1. 簡介

本實驗將實現(xiàn)FPGA芯片和PC之間進行千兆以太網數(shù)據(jù)通信, 通信協(xié)議采用Ethernet UDP通信協(xié)議。 FPGA通過RGMII總線和開發(fā)板上的Gigabit PHY芯片通信, Gigabit PHY芯片把數(shù)據(jù)通過網線發(fā)給PC，程序中實現(xiàn)了ARP，UDP，PING功能，此外還實現(xiàn)了100/1000M自適應。

2. 硬件介紹

在開發(fā)板上通過1片RTL8211EG以太網PHY芯片為用戶提供網絡通信服務。以太網PHY芯片是連接到Pango FPGA的IO接口上。芯片支持10/100/1000 Mbps網絡傳輸速率，通過RGMII接口跟FPGA進行數(shù)據(jù)通信。RTL8211EG支持MDI/MDX自適應，各種速度自適應，Master/Slave自適應，支持MDIO總線進行PHY的寄存器管理。當網口Link到千兆以太網時, FPGA通過RGMII總線和PHY芯片進行數(shù)據(jù)通信，當網口Link到百兆以太網時, FPGA通過MII總線和PHY芯片進行數(shù)據(jù)通信。另外FPGA可以通過MDI/MDIO管理接口來配置或讀取PHY芯片內部的寄存器。在千兆的RGMII通信模式下(以U8為例), 發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送時鐘為125Mhz的E_GTXC信號, 數(shù)據(jù)為E_TXD[3:0], 數(shù)據(jù)有效信號為E_TXEN, E_TXC信號連接但沒有使用; 接收數(shù)據(jù)時,接收時鐘為125Mhz的E_RXC信號, 數(shù)據(jù)為E_RXC[3:0], 數(shù)據(jù)有效信號為E_RXDV。關于詳細的管腳說明和RGMII/MII的通信時序，請大家參考RTL8211EG的芯片手冊。

硬件電路設計如下：

開發(fā)板網絡部分電路

關于詳細的管腳說明和RGMII的通信時序，請大家參考相關芯片手冊。

3. 以太網幀

3.1 以太網幀格式

下圖為以太網的幀格式：

前導碼（Preamble）：8字節(jié)，連續(xù)7個8’h55加1個8’hd5，表示一個幀的開始，用于雙方設備數(shù)據(jù)的同步。

目的MAC地址：6字節(jié)，存放目的設備的物理地址，即MAC地址

源MAC地址：6字節(jié)，存放發(fā)送端設備的物理地址

類型：2字節(jié)，用于指定協(xié)議類型，常用的有0800表示IP協(xié)議，0806表示ARP協(xié)議，8035

表示RARP協(xié)議

數(shù)據(jù)：46到1500字節(jié)，最少46字節(jié)，不足需要補全46字節(jié)，例如IP協(xié)議層就包含在數(shù)據(jù)

部分，包括其IP頭及數(shù)據(jù)。

FCS：幀尾，4字節(jié)，稱為幀校驗序列，采用32位CRC校驗，對目的MAC地址字段到數(shù)據(jù)字

段進行校驗。

進一步擴展，以UDP協(xié)議為例，可以看到其結構如下，除了以太網首部的14字節(jié)，數(shù)據(jù)部分包含IP首部，UDP首部，應用數(shù)據(jù)共46~1500字節(jié)。

3.2 ARP數(shù)據(jù)報格式

ARP地址解析協(xié)議，即ARP（Address Resolution Protocol），根據(jù)IP地址獲取物理地址。主機發(fā)送包含目的IP地址的ARP請求廣播（MAC地址為48’hff_ff_ff_ff_ff_ff）到網絡上的主機，并接收返回消息，以此確定目標的物理地址，收到返回消息后將IP地址和物理地址保存到緩存中，并保留一段時間，下次請求時直接查詢ARP緩存以節(jié)約資源。下圖為ARP數(shù)據(jù)報格式 。

幀類型：ARP幀類型為兩字節(jié)0806

硬件類型：指鏈路層網絡類型，1為以太網

協(xié)議類型：指要轉換的地址類型，采用0x0800 IP類型，之后的硬件地址長度和協(xié)議地址長度分別對應6和4

OP字段中1表示ARP請求，2表示ARP應答

例如：|ff ff ff ff ff ff|00 0a 35 01 fe c0|08 06|00 01|08 00|06|04|00 01|00 0a 35 01 fe c0

|c0 a8 00 02| ff ff ff ff ff ff|c0 a8 00 03| 表示向192.168.0.3地址發(fā)送ARP請求。

|00 0a 35 01 fe c0 | 60 ab c1 a2 d5 15 |08 06|00 01|08 00|06|04|00 02| 60 ab c1 a2 d5 15

|c0 a8 00 03|00 0a 35 01 fe c0|c0 a8 00 02|表示向192.168.0.2地址發(fā)送ARP應答。

3.3 IP 數(shù)據(jù)報格式

因為UDP協(xié)議包只是IP包中的一種, 所以我們來介紹一下IP包的數(shù)據(jù)格式。下圖為IP分組的報文頭格式，報文頭的前20個字節(jié)是固定的，后面的可變

版本:占 4 位,指 IP 協(xié)議的版本目前的 IP 協(xié)議版本號為 4 (即 IPv4)

首部長度:占4位,可表示的最大數(shù)值是15個單位(一個單位為 4 字節(jié))因此IP 的首部長度的最大值是 60 字節(jié)

區(qū)分服務:占8位,用來獲得更好的服務,在舊標準中叫做服務類型,但實際上一直未被使用過.1998 年這個字段改名為區(qū)分服務.只有在使用區(qū)分服務(DiffServ)時,這個字段才起作用.一般的情況下都不使用這個字段

總長度:占16位,指首部和數(shù)據(jù)之和的長度,單位為字節(jié),因此數(shù)據(jù)報的最大長度為 65535 字節(jié).總長度必須不超過最大傳送單元 MTU

標識:占16位,它是一個計數(shù)器,用來產生數(shù)據(jù)報的標識

標志(flag):

占3位,目前只有前兩位有意義

MF

標志字段的最低位是 MF (More Fragment)

MF=1 表示后面“還有分片”。MF=0 表示最后一個分片

DF

標志字段中間的一位是 DF (Don't Fragment)

只有當 DF=0 時才允許分片

片偏移:占12位,指較長的分組在分片后某片在原分組中的相對位置.片偏移以 8 個字節(jié)為偏移單位

生存時間:占8位,記為TTL (Time To Live) 數(shù)據(jù)報在網絡中可通過的路由器數(shù)的最大值,TTL 字段是由發(fā)送端初始設置一個 8 bit字段.推薦的初始值由分配數(shù)字 RFC 指定,當前值為 64.發(fā)送 ICMP 回顯應答時經常把 TTL 設為最大值 255

協(xié)議:占8位,指出此數(shù)據(jù)報攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機的IP層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個處理過程, 1表示為 ICMP 協(xié)議, 2表示為 IGMP 協(xié)議, 6表示為 TCP 協(xié)議, 17表示為 UDP 協(xié)議

首部檢驗和:占16位,只檢驗數(shù)據(jù)報的首部不檢驗數(shù)據(jù)部分，采用二進制反碼求和，即將16位數(shù)據(jù)相加后，再將進位與低16位相加，直到進位為0，最后將16位取反。

源地址和目的地址:都各占4 字節(jié),分別記錄源地址和目的地址

3.4 UDP協(xié)議

UDP是User Datagram Protocol（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）的英文縮寫。UDP只提供一種基本的、低延遲的被稱為數(shù)據(jù)報的通訊。所謂數(shù)據(jù)報，就是一種自帶尋址信息，從發(fā)送端走到接收端的數(shù)據(jù)包。UDP協(xié)議經常用于圖像傳輸、網絡監(jiān)控數(shù)據(jù)交換等數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場合。

UDP協(xié)議的報頭格式：

UDP報頭由4個域組成，其中每個域各占用2個字節(jié)，具體如下：

① UDP源端口號

② 目標端口號

③ 數(shù)據(jù)報長度

④ 校驗和

UDP協(xié)議使用端口號為不同的應用保留其各自的數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)發(fā)送一方將UDP數(shù)據(jù)報通過源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過目標端口接收數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)報的長度是指包括報頭和數(shù)據(jù)部分在內的總字節(jié)數(shù)。因為報頭的長度是固定的，所以該域主要被用來計算可變長度的數(shù)據(jù)部分（又稱為數(shù)據(jù)負載）。數(shù)據(jù)報的最大長度根據(jù)操作環(huán)境的不同而各異。從理論上說，包含報頭在內的數(shù)據(jù)報的最大長度為65535字節(jié)。不過，一些實際應用往往會限制數(shù)據(jù)報的大小，有時會降低到8192字節(jié)。

UDP協(xié)議使用報頭中的校驗值來保證數(shù)據(jù)的安全。校驗值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計算。如果某個數(shù)據(jù)報在傳輸過程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗計算值將不會相符，由此UDP協(xié)議可以檢測是否出錯。雖然UDP提供有錯誤檢測，但檢測到錯誤時，錯誤校正，只是簡單地把損壞的消息段扔掉，或者給應用程序提供警告信息。

3.5 Ping功能

ICMP是TCP/IP協(xié)議族的一個IP層子協(xié)議，包含在IP數(shù)據(jù)報里，用于IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W絡是否連通，主機是否可達等功能。其中ping功能采用回送請求和回答報文，回送請求報文類型為8’h08，回答報文類型為8’h00。

4. SMI(MDC/MDIO)總線接口

串行管理接口（Serial Management Interface），也被稱作MII管理接口（MII Management Interface），包括MDC和MDIO兩條信號線。MDIO是一個PHY的管理接口，用來讀/寫PHY的寄存器，以控制PHY的行為或獲取PHY的狀態(tài)，MDC為MDIO提供時鐘，由MAC端提供，在本實驗中也就是FPGA端。在RTL8211EG文檔里可以看到MDC的周期最小為400ns，也就是最大時鐘為2.5MHz。

4.1 SMI幀格式

如下圖，為SMI的讀寫幀格式：

名稱	說明
Preamble	由MAC發(fā)送32個連續(xù)的邏輯“1”，同步于MDC信號，用于MAC與PHY之間的同步
ST	幀開始位，固定為01
OP	操作碼，10表示讀，01表示寫
PHYAD	PHY的地址，5 bits
REGAD	寄存器地址，5 bits
TA	Turn Around，MDIO方向轉換，在寫狀態(tài)下，不需要轉換方向，值為10，在讀狀態(tài)下，MAC輸出端為高阻態(tài)，在第二個周期，PHY將MDIO拉低
DATA	共16bits數(shù)據(jù)
IDLE	空閑狀態(tài)，此狀態(tài)下MDIO為高阻態(tài)，由外部上拉電阻拉高

4.2 讀寫時序

1）讀時序

可以看到在Turn Around狀態(tài)下，第一個周期MDIO為高阻態(tài)，第二個周期由PHY端拉低。

2）寫時序

為了保證能夠正確采集到數(shù)據(jù)，在MDC上升沿之前就把數(shù)據(jù)準備好，在本實驗中為下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，上升沿接收數(shù)據(jù)。

5. 程序設計

本實驗以千兆以太網RGMII通信為例來設計verilog程序，會先發(fā)送預設的UDP數(shù)據(jù)到網絡，每秒鐘發(fā)送一次，如果FPGA檢測網口發(fā)來的UDP的數(shù)據(jù)包，會把接收到的數(shù)據(jù)包存儲在FPGA內部的RAM中，再不斷的把RAM中的數(shù)據(jù)包通過網口發(fā)回到ethernet網絡。程序分為兩部分，分別為發(fā)送和接收，實現(xiàn)了ARP，UDP，Ping功能。以下為原理實現(xiàn)框圖：

5.1 發(fā)送部分

1）MAC層發(fā)送

發(fā)送部分中， mac_tx.v為MAC層發(fā)送模塊，首先在SEND_START狀態(tài)，等待mac_tx_ready信號，如果有效，表明IP或ARP的數(shù)據(jù)已經準備好，可以開始發(fā)送。再進入發(fā)送前導碼狀態(tài)，結束時發(fā)送mac_data_req，請求IP或ARP的數(shù)據(jù)，之后進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，最后進入發(fā)送CRC狀態(tài)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，需要同時進行CRC校驗。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
crc_result	in	32	CRC32結果
crcen	out	1	CRC使能信號
crcre	out	1	CRC復位信號
crc_din	out	8	CRC模塊輸入信號
mac_frame_data	in	8	從IP或ARP來的數(shù)據(jù)
mac_tx_req	in	1	MAC的發(fā)送請求
mac_tx_ready	in	1	IP或ARP數(shù)據(jù)已準備好
mac_tx_end	in	1	IP或ARP數(shù)據(jù)已經傳輸完畢
mac_tx_data	out	8	向PHY發(fā)送數(shù)據(jù)
mac_send_end	out	1	MAC數(shù)據(jù)發(fā)送結束
mac_data_valid	out	1	MAC數(shù)據(jù)有效信號，即gmii_tx_en
mac_data_req	out	1	MAC層向IP或ARP請求數(shù)據(jù)

2）MAC發(fā)送模式

工程中的mac_tx_mode.v為發(fā)送模式選擇，根據(jù)發(fā)送模式是IP或ARP選擇相應的信號與數(shù)據(jù)。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結束
arp_tx_req	in	1	ARP發(fā)送請求
arp_tx_ready	in	1	ARP數(shù)據(jù)已準備好
arp_tx_data	in	8	ARP數(shù)據(jù)
arp_tx_end	in	1	ARP數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC層結束
arp_tx_ack	in	1	ARP發(fā)送響應信號
ip_tx_req	in	1	IP發(fā)送請求
ip_tx_ready	in	1	IP數(shù)據(jù)已準備好
ip_tx_data	in	8	IP數(shù)據(jù)
ip_tx_end	in	1	IP數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC層結束
mac_tx_ready	out	1	MAC數(shù)據(jù)已準備好信號
ip_tx_ack	out	1	IP發(fā)送響應信號
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送響應信號
mac_tx_req	out	1	MAC發(fā)送請求
mac_tx_data	out	8	MAC發(fā)送數(shù)據(jù)
mac_tx_end	out	1	MAC數(shù)據(jù)發(fā)送結束

3）ARP發(fā)送

發(fā)送部分中，arp_tx.v為ARP發(fā)送模塊， 在IDLE狀態(tài)下，等待ARP發(fā)送請求或ARP應答請求信號，之后進入請求或應答等待狀態(tài)，并通知MAC層，數(shù)據(jù)已經準備好，等待mac_data_req信號，之后進入請求或應答數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)不足46字節(jié)，需要補全46字節(jié)發(fā)送。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
destination_mac_addr	in	48	發(fā)送的目的MAC地址
source_mac_addr	in	48	發(fā)送的源MAC地址
source_ip_addr	in	32	發(fā)送的源IP地址
destination_ip_addr	in	32	發(fā)送的目的IP地址
mac_data_req	in	1	MAC層請求數(shù)據(jù)信號
arp_request_req	in	1	ARP請求的請求信號
arp_reply_ack	out	1	ARP回復的應答信號
arp_reply_req	in	1	ARP回復的請求信號
arp_rec_source_ip_addr	in	32	ARP接收的源IP地址，回復時放到目的IP地址
arp_rec_source_mac_addr	in	48	ARP接收的源MAC地址，回復時放到目的MAC地址
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結束
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送應答
arp_tx_ready	out	1	ARP數(shù)據(jù)準備好
arp_tx_data	out	8	ARP發(fā)送數(shù)據(jù)
arp_tx_end	out	1	ARP數(shù)據(jù)發(fā)送結束

4）IP層發(fā)送

在發(fā)送部分，ip_tx.v為IP層發(fā)送模塊，在IDLE狀態(tài)下，如果ip_tx_req有效，也就是UDP或ICMP發(fā)送請求信號，進入等待發(fā)送數(shù)據(jù)長度狀態(tài)，之后進入產生校驗和狀態(tài)，校驗和是將IP首部所有數(shù)據(jù)以16位相加，最后將進位再與低16位相加，直到進入為0，再將低16位取反，得出校驗和結果。此程序中校驗和以樹型加法結構，并插入流水線，能有效降低加法部分的延遲，但缺點是會消耗較多邏輯資源。如下圖ABCD四個輸入，A與B相加，結果為E，C與D相加，結果為F，再將E與F相加，結果為G，在每個相加結果之后都有寄存器。

在生成校驗和之后，等待MAC層數(shù)據(jù)請求，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，并在即將結束發(fā)送IP首部后請求UDP或ICMP數(shù)據(jù)。等發(fā)送完，進入IDLE狀態(tài)。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
destination_mac_addr	in	48	發(fā)送的目的MAC地址
source_mac_addr	in	48	發(fā)送的源MAC地址
source_ip_addr	in	32	發(fā)送的源IP地址
destination_ip_addr	in	32	發(fā)送的目的IP地址
TTL	in	8	生存時間
ip_send_type	in	8	上層協(xié)議號，如UDP,ICMP
upper_layer_data	in	8	從UDP或ICMP過來的數(shù)據(jù)
upper_data_req	out	1	向上層請求數(shù)據(jù)
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送應答
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結束信號
mac_data_req	in	1	MAC層請求數(shù)據(jù)信號
upper_tx_ready	in	1	上層UDP或ICMP數(shù)據(jù)準備好
ip_tx_req	in	1	發(fā)送請求，從上層過來
ip_send_data_length	in	16	發(fā)送數(shù)據(jù)總長度
ip_tx_ack	out		產生IP發(fā)送應答
ip_tx_busy	out		P發(fā)送忙信號
ip_tx_ready	out	1	IP數(shù)據(jù)已準備好
ip_tx_data	out	8	IP數(shù)據(jù)
ip_tx_end	out	1	IP數(shù)據(jù)發(fā)送到MAC層結束

5）IP發(fā)送模式

工程中的ip_tx_mode.v為發(fā)送模式選擇，根據(jù)發(fā)送模式是UDP或ICMP選擇相應的信號與數(shù)據(jù)。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
mac_send_end	in	1	MAC數(shù)據(jù)發(fā)送結束
udp_tx_req	in		UDP發(fā)送請求
udp_tx_ready	in	1	UDP數(shù)據(jù)準備好
udp_tx_data	in	8	UDP發(fā)送數(shù)據(jù)
udp_send_data_length	in	16	UDP發(fā)送數(shù)據(jù)長度
udp_tx_ack	out	1	輸出UDP發(fā)送應答
icmp_tx_req	in	1	ICMP發(fā)送請求
icmp_tx_ready	in	1	ICMP數(shù)據(jù)準備好
icmp_tx_data	in	8	ICMP發(fā)送數(shù)據(jù)
icmp_send_data_length	in	16	ICMP發(fā)送數(shù)據(jù)長度
icmp_tx_ack	out	1	ICMP發(fā)送應答
ip_tx_ack	in	1	IP發(fā)送應答
ip_tx_req	in	1	IP發(fā)送請求
ip_tx_ready	out	1	IP數(shù)據(jù)已準備好
ip_tx_data	out	8	IP數(shù)據(jù)
ip_send_type	out	8	上層協(xié)議號，如UDP,ICMP
ip_send_data_length	out	16	發(fā)送數(shù)據(jù)總長度

6）UDP發(fā)送

發(fā)送部分中，udp_tx.v為UDP發(fā)送模塊，第一步將數(shù)據(jù)寫入UDP發(fā)送RAM，同時計算校驗和，第二步將RAM中數(shù)據(jù)發(fā)送出去。UDP校驗和與IP校驗和計算方法一致。在計算時需要將偽首部加上，偽首部包括目的IP地址，源IP地址，網絡類型，UDP數(shù)據(jù)長度。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
source_ip_addr	in	32	發(fā)送的源IP地址
destination_ip_addr	in	32	發(fā)送的目的IP地址
udp_send_source_port	in	16	源端口號
udp_send_destination_port	in	16	目的端口號
udp_send_data_length	in	16	UDP發(fā)送數(shù)據(jù)長度，用戶需給出其值
ram_wr_data	in	8	寫UDP的RAM數(shù)據(jù)
ram_wr_en	in	1	寫RAM使能
udp_ram_data_req	out	1	請求寫RAM數(shù)據(jù)
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結束信號
udp_tx_req	in	1	UDP發(fā)送請求
ip_tx_req	out	1	IP發(fā)送請求
ip_tx_ack	in	1	Ip應答
udp_data_req	in	1	IP層請求數(shù)據(jù)
udp_tx_ready	out	1	UDP數(shù)據(jù)準備好
udp_tx_data	out	8	UDP數(shù)據(jù)
udp_tx_end	out	1	UDP發(fā)送結束（未使用）
almost_full	out	1	Fifo接近滿標志

5.2 接收部分

1) MAC層接收

在接收部分，其中mac_rx.v為mac層接收文件，首先在IDLE狀態(tài)下需要判斷rx_dv信號是否為高，在REC_PREAMBLE前導碼狀態(tài)下，接收前導碼。之后進入接收MAC頭部狀態(tài)，即目的MAC地址，源MAC地址，類型，將它們緩存起來，并在此狀態(tài)判斷前導碼是否正確，錯誤則進入REC_ERROR錯誤狀態(tài)，在REC_IDENTIFY狀態(tài)判斷類型是IP（8’h0800）或ARP(8’h0806)。然后進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送到IP或ARP模塊，等待IP或ARP數(shù)據(jù)接收完畢，再接收CRC數(shù)據(jù)。并在接收數(shù)據(jù)的過程中對接收的數(shù)據(jù)進行CRC處理，將結果與接收到的CRC數(shù)據(jù)進行對比，判斷數(shù)據(jù)是否接收正確，正確則結束，錯誤則進入ERROR狀態(tài)。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
crc_result	in	32	CRC32結果
crcen	out	1	CRC使能信號
crcre	out	1	CRC復位信號
crc_din	out	8	CRC模塊輸入信號
rx_dv	in	1	從PHY層過來的rx_dv信號
mac_rx_datain	in	8	從PHY層接收的數(shù)據(jù)
checksum_err	in	1	IP層校驗和錯誤
ip_rx_end	in	1	IP層接收結束
arp_rx_end	in	1	ARP層接收結束
ip_rx_req	out	1	請求IP層接收
arp_rx_req	out	1	請求ARP接收
mac_rx_dataout	out	8	MAC層接收數(shù)據(jù)輸出給IP或ARP
mac_rec_error	out	1	MAC層接收錯誤
mac_rx_destination_mac_addr	out	48	MAC接收的目的IP地址
mac_rx_source_mac_addr	out	48	MAC接收的源IP地址

2) ARP接收

工程中的arp_rx.v為ARP接收模塊，實現(xiàn)ARP數(shù)據(jù)接收，在IDLE狀態(tài)下，接收到從MAC層發(fā)來的arp_rx_req信號，進入ARP接收狀態(tài)，在此狀態(tài)下，提取出目的MAC地址，源MAC地址，目的IP地址，源IP地址，并判斷操作碼OP是請求還是應答。如果是請求，則判斷接收到的目的IP地址是否為本機地址，如果是，發(fā)送應答請求信號arp_reply_req，如果不是，則忽略。如果OP是應答，則判斷接收到的目的IP地址及目的MAC地址是否與本機一致，如果是，則拉高arp_found信號，表明接收到了對方的地址。并將對方的MAC地址及IP地址存入ARP緩存中。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
local_ip_addr	in	32	本地IP地址
local_mac_addr	in	48	本地MAC地址
arp_rx_data	in	8	ARP接收數(shù)據(jù)
arp_rx_req	in	1	ARP接收請求
arp_rx_end	out	1	ARP接收完成
arp_reply_ack	in	1	ARP回復應答
arp_reply_req	out	1	ARP回復請求
arp_rec_source_ip_addr	in	32	ARP接收的源IP地址
arp_rec_source_mac_addr	in	48	ARP接收的源MAC地址
arp_found	out	1	ARP接收到請求應答正確

3) IP層接收模塊

在工程中，ip_rx為IP層接收模塊，實現(xiàn)IP層的數(shù)據(jù)接收，信息提取，并進行校驗和檢查。首先在IDLE狀態(tài)下，判斷從MAC層發(fā)過來的ip_rx_req信號，進入接收IP首部狀態(tài)，先在REC_HEADER0提取出首部長度及IP總長度，進入REC_HEADER1狀態(tài)，在此狀態(tài)提取出目的IP地址，源IP地址，協(xié)議類型，根據(jù)協(xié)議類型發(fā)送udp_rx_req或icmp_rx_req。在接收首部的同時進行校驗和的檢查，將首部接收的所有數(shù)據(jù)相加，存入32位寄存器，再將高16位與低16位相加，直到高16位為0 ，再將低16位取反，判斷其是否為0，如果是0，則檢驗正確，否則錯誤，進入IDLE狀態(tài)，丟棄此幀數(shù)據(jù)，等待下次接收。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
local_ip_addr	in	32	本地IP地址
local_mac_addr	in	48	本地MAC地址
ip_rx_data	in	8	從MAC層接收的數(shù)據(jù)
ip_rx_req	in	1	MAC層發(fā)送的IP接收請求信號
mac_rx_destination_mac_addr	in	48	MAC層接收的目的MAC地址
udp_rx_req	out	1	UDP接收請求信號
icmp_rx_req	out	1	ICMP接收請求信號
ip_addr_check_error	out	1	地址檢查錯誤信號
upper_layer_data_length	out	16	上層協(xié)議的數(shù)據(jù)長度
ip_total_data_length	out	16	數(shù)據(jù)總長度
net_protocol	out	8	網絡協(xié)議號
ip_rec_source_addr	out	32	IP層接收的源IP地址
ip_rec_destination_addr	out	32	IP層接收的目的IP地址
ip_rx_end	out	1	IP層接收結束
ip_checksum_error	out	1	IP層校驗和檢查錯誤信號

4) UDP接收

在工程中，udp_rx.v為UDP接收模塊，在此模塊首先接收UDP首部，再接收數(shù)據(jù)部分，并將數(shù)據(jù)部分存入RAM中，在接收的同時進行UDP校驗和檢查，如果UDP數(shù)據(jù)是奇數(shù)個字節(jié)，在計算校驗和時，在最后一個字節(jié)后加上8’h00，并進行校驗和計算。校驗方法與IP校驗和一樣，如果校驗正確，將拉高udp_rec_data_valid信號，表明接收的UDP數(shù)據(jù)有效，否則無效，等待下次接收。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
udp_rx_data	in	8	UDP接收數(shù)據(jù)
udp_rx_req	in	1	UDP接收請求
mac_rec_error	in	1	MAC層接收錯誤
net_protocol	in	8	網絡協(xié)議號
ip_rec_source_addr	in	32	IP層接收的源IP地址
ip_rec_destination_addr	in	32	IP層接收的目的IP地址
ip_checksum_error	in	1	IP層校驗和檢查錯誤信號
ip_addr_check_error	in	1	地址檢查錯誤信號
upper_layer_data_length	in	16	上層協(xié)議的數(shù)據(jù)長度
udp_rec_ram_rdata	out	8	UDP接收RAM讀數(shù)據(jù)
udp_rec_ram_read_addr	in	11	UDP接收RAM讀地址
udp_rec_data_length	out	16	UDP接收數(shù)據(jù)長度
udp_rec_data_valid	out	1	UDP接收數(shù)據(jù)有效

5.3 SMI接口

1）SMI讀寫控制模塊

smi_read_write.v文件用于SMI接口的讀寫控制，在IDLE狀態(tài)下根據(jù)寫請求或讀請求到相應的狀態(tài)，再根據(jù)SMI時序實現(xiàn)MDC和MDIO的控制。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
mdc	out	1	MDC時鐘
mdio	inout	1	MDIO數(shù)據(jù)
phy_addr	in	5	PHY地址
reg_addr	in	5	寄存器地址
write_req	in	1	寫請求
write_data	in	16	寫數(shù)據(jù)
read_req	in	1	讀請求
read_data	out	16	讀數(shù)據(jù)
data_valid	out	1	數(shù)據(jù)有效
done	out	1	讀或寫結束

2）SMI配置模塊

smi_config.v文件讀取寄存器0x11的bit10和bit[15:14]來判斷以太網是否已經連接和當前的以太網速度，默認狀態(tài)下，PHY芯片是自動協(xié)商速度，根據(jù)對方的速度做匹配。bit 10為1則link成功，否則失敗，bit[15:14]為00則是10M，01為100M，10或11為1000M，根據(jù)不同的速度點亮LED燈，沒有l(wèi)ink都不亮，10M亮一個燈，100M亮兩個燈，1000M亮三個燈。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
mdc	out	1	MDC時鐘
mdio	inout	1	MDIO數(shù)據(jù)
speed	out	2	速度 00：10M; 01：100M; 10：1000M
link	out	1	寄存器地址
led	out	4	寫請求

5.4 10/100/1000M仲裁

由于10/100M傳輸數(shù)據(jù)時是單邊沿采集數(shù)據(jù)，因此一個周期傳輸4bit數(shù)據(jù)，而RGMII為雙邊沿采集數(shù)據(jù)，所以要進行數(shù)據(jù)的轉換，如發(fā)送時，要將一周其8bit數(shù)據(jù)轉成一周期4bit數(shù)據(jù)，因此要設置數(shù)據(jù)緩存，讀數(shù)據(jù)速率為寫數(shù)據(jù)的一半。

1）TX buffer

gmii_tx_buffer.v將要發(fā)送的8bit緩存到eth_data_fifo中，同時將數(shù)據(jù)長度緩存到len_fifo中，在狀態(tài)機中判斷長度FIFO中的數(shù)據(jù)是否大于0，是則表明已經緩存了數(shù)據(jù)，之后進入讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)，每兩個周期讀一次數(shù)據(jù)，此功能不好理解，最好用signaltap抓取信號幫助理解。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
eth_10_100m_en	in	1	10/100M使能信號
link	in	1	Link信號
gmii_tx_en	in	1	內部的gmii發(fā)送使能
gmii_txd	in	8	內部的gmii發(fā)送數(shù)據(jù)
e10_100_tx_en	out	1	10/100M發(fā)送使能
e10_100_txd	out	8	10/100M發(fā)送數(shù)據(jù)

2）RX buffer

gmii_rx_buffer.v將接收的10/100M數(shù)據(jù)緩存到eth_data_fifo中，同時將數(shù)據(jù)長度緩存到len_fifo中，在狀態(tài)機中判斷長度FIFO中的數(shù)據(jù)是否大于0，是則表明已經緩存了數(shù)據(jù)，之后進入讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)，每兩個周期讀一次數(shù)據(jù)，最好用signaltap抓取信號幫助理解。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
eth_10_100m_en	in	1	100M使能信號
eth_10m_en	in	1	10M使能信號
link	in	1	Link信號
gmii_rx_dv	in	1	外部的gmii接收有效
gmii_rxd	in	8	外部的gmii接收數(shù)據(jù)
e10_100_rx_dv	out	1	10/100M接收有效信號
e10_100_rxd	out	8	10/100M接收數(shù)據(jù)

3）仲裁

gmii_arbi.v用于三種速度的仲裁，同時設定了發(fā)送的間隔都為1S。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
speed	in	2	以太網速度
link	in	1	Link信號
gmii_rx_dv	in	1	外部的gmii接收有效
gmii_rxd	in	8	外部的gmii接收數(shù)據(jù)
gmii_tx_en	in	1	內部的gmii發(fā)送使能
gmii_txd	out	8	內部的gmii發(fā)送數(shù)據(jù)
pack_total_len	out	32	延遲數(shù)值，每種速度都設置為1S
e_rst_n	out	1	復位MAC信號
e_rx_dv	out	1	仲裁后接收有效信號
e_rxd	out	8	仲裁后接收有效數(shù)據(jù)
e_tx_en	out	1	仲裁后發(fā)送使能信號
e_txd	out	8	仲裁后發(fā)送數(shù)據(jù)信號

5.5 其他部分

1）ICMP應答

在工程中，icmp_reply.v實現(xiàn)ping功能，首先接收其他設備發(fā)過來的icmp數(shù)據(jù)，判斷類型是否是回送請求（ECHO REQUEST），如果是，將數(shù)據(jù)存入RAM，并計算校驗和，判斷校驗和是否正確，如果正確則進入發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
mac_send_end	in	1	Mac發(fā)送結束信號
ip_tx_ack	in	1	IP發(fā)送應答
icmp_rx_data	in	8	ICMP接收數(shù)據(jù)
icmp_rx_req	in	1	ICMP接收請求
icmp_rev_error	in	1	接收錯誤信號
upper_layer_data_length	in	16	上層協(xié)議長度
icmp_data_req	in	1	發(fā)送請求ICMP數(shù)據(jù)
icmp_tx_ready	out	1	ICMP發(fā)送準備好
icmp_tx_data	out	8	ICMP發(fā)送數(shù)據(jù)
icmp_tx_end	out	1	ICMP發(fā)送結束
icmp_tx_req	out	1	ICMP發(fā)送請求

2）ARP緩存

在工程中，arp_cache.v為arp緩存模塊，將接收到的其他設備IP地址和MAC地址緩存，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，查詢目的地址是否存在，如果不存在，則向目的地址發(fā)送ARP請求，等待應答。在設計文件中，只做了一個緩存空間，如果有需要，可擴展。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
arp_found	in	1	ARP接收到回復正確
arp_rec_source_ip_addr	in	32	ARP接收的源IP地址
arp_rec_source_mac_addr	in	48	ARP接收的源MAC地址
destination_ip_addr	in	32	目的IP地址
destination_mac_addr	out	48	目的MAC地址
mac_not_exist	out	1	目的地址對應的MAC地址不存在

3）CRC校驗模塊(crc.v)

一個IP數(shù)據(jù)包的CRC32校驗是在目標MAC 地址開始計算的，一直計算到一個包的最后一個數(shù)據(jù)為止。以太網的CRC32的verilog的算法和多項式可以在以下網站中直接生成：

http://www.easics.com/webtools/crctool

4）以太網測試模塊（mac_test.v）

測試模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制，首先在按下按鍵后發(fā)送ARP請求信號，直到對方回應，進入發(fā)送UDP數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果在WAIT狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)UDP接收數(shù)據(jù)有效，則將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。循環(huán)1秒發(fā)送，在每次發(fā)送前需要檢查目的IP地址是否能在ARP緩存里找到，如果沒有，則發(fā)送ARP請求。

信號名稱	方向	寬度(bit)	說明
clk_50m	in	1	系統(tǒng)時鐘
rst_n	in	1	異步復位，低電平復位
pack_total_len	in	32	包長度
push_button	in	1	按鍵信號
gmii_tx_clk	in	1	GMII發(fā)送時鐘
gmii_rx_clk	in	1	GMII接收時鐘
gmii_rx_dv	in	1	接收數(shù)據(jù)有效信號
gmii_rxd	in	8	接收數(shù)據(jù)
gmii_tx_en	out	1	發(fā)送數(shù)據(jù)有效信號
gmii_txd	out	8	發(fā)送數(shù)據(jù)

5）RGMII轉GMII模塊

util_gmii_to_rgmii.v文件是將RGMII與GMII轉換，提取出控制信號與數(shù)據(jù)信號。與PHY連接是RGMII接口。

GMII接口

RGMII接口

RGMII接口是GMII接口的簡化版，在時鐘的上升沿及下降沿都采樣數(shù)據(jù)，上升沿發(fā)送TXD[3:0]/RXD[3:0]，下降沿發(fā)送TXD[7:4]/RXD[7:4]，TX_EN傳送TX_EN（上升沿）和TX_ER（下降沿）兩種信息，RX_DV傳送RX_DV（上升沿）和RX_ER（下降沿）兩種信息。

6. 下載和試驗

6.1 準備工作

第一步：首先確認一下自己PC的網卡是否是千兆網卡，用戶可以點擊本地連接查看，再用五類+或者六類網線連接開發(fā)板的網口和PC的網口。

第二步：修改PC的IP地址為192.168.0.3。PC的IP Address需要和mac_test.v中設置一致，不然網絡調試助手會接收不到開發(fā)板發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包。

第三步：安裝Wireshark是為了方便用戶網絡通信的調試，安裝”\07_軟件工具及驅動\網絡調試工具\wireshark_cn”目錄下的網絡抓包工具Wireshark, 我們在實驗的時候可以用這工具來查看PC網口發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)的詳細信息。

6.2 以太網通信測試

第一步：燒寫ethernet_test.bit文件到FPGA，（如果需固化到FLASH中燒寫ethernet_test.bin文件），等待兩三秒，看到三個LED燈亮，為千兆網卡，兩個燈亮為百兆網卡，如果都沒亮，需要檢查網口連接情況。

第二步：以管理員權限打開CMD窗口，輸入arp –a查看ARP綁定結果，可以看到開發(fā)板的IP地址和MAC地址已經緩存。

第三步：在CMD窗口中，輸入ping 192.168.0.2查看PC與開發(fā)板是否ping通。

第四步：打開“\07_軟件工具及驅動\網絡調試工具\NetAssist “目錄下的網絡調試助手并設置參數(shù)如下，再按連接按鈕(這里的本地的IP地址為PC的IP Address, 本地端口需要跟FPGA程序中的一致，為8080)。

這時網絡數(shù)據(jù)接收窗口會顯示FPGA發(fā)給PC的以太網數(shù)據(jù)包"HELLO ALINX HEIJIN"目標主機的IP地址需要和FPGA程序中的IP地址一致，目標端口號也需要和FPGA程序的一致(8080)。如下圖網絡顯示：

第五步：再在網絡調試助手的發(fā)送窗口發(fā)送一大串字符,在網絡的數(shù)據(jù)接收窗口我們可以看到從FPGA返回的數(shù)據(jù)也變成剛發(fā)送的字符串。

也可以發(fā)送較少字符，低于46字節(jié)，F(xiàn)PGA程序會自動補充至46字節(jié)，如下圖：

第六步：這一步對用戶來講是可選的，用戶如果想查看更多數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男畔?，可以使用網絡抓包工具Wireshark來查看PC的網卡接收和發(fā)送的網絡數(shù)據(jù)，打開安裝好的wireshark抓包工具，點擊菜單抓包->網絡接口。

在彈出的抓包接口窗口選擇PC的千兆網卡，按開始按鈕開始抓包。

在wireshark抓包窗口我們可以看到開發(fā)板(192.168.0.2)向PC網口(192.168.0.2)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，這里會顯示數(shù)據(jù)包的目標MAC, 源MAC，IP包頭和UDP包等信息, 如下圖開發(fā)板抓包窗口顯示：

6.3 以太網速度測試

我們可以通過抓包工具wireshark測量以太網部分的數(shù)據(jù)發(fā)送的速度，因為千兆以太網理想模式網絡的速度可以達到1Gbps,但實際因為每個數(shù)據(jù)包中有包頭，CRC等非數(shù)據(jù)字符，而且每包之間有空隙，一般千兆以太網的數(shù)據(jù)傳輸速度最高在950Mbps左右。傳輸是上下對稱傳輸，就是說上行和下行都能達到950Mbps左右。在這里，因為抓包wireshark只能統(tǒng)計接收的數(shù)據(jù)包，而不會發(fā)送數(shù)據(jù)，所以這里只是測試FPGA發(fā)給電腦的輸送數(shù)據(jù)的速度。

第一步：修改程序，修改工程中mac_test.v中的代碼，如下圖所示

把上圖中的紅色標的”//”去掉，如下：

第二步：編譯綜合完成后下載測試程序，下載完成后這時FPGA網絡會進行動態(tài)綁定，PC機的IP設置請參照5.2章節(jié)（如已設置忽略）。

打開wireshark,點擊菜單“抓包”->"抓包參數(shù)選擇”。在抓包選項中設置緩沖大小為1000megabyte,在10000個數(shù)據(jù)包之后停止抓包。（這里需要注意：如果不設置的話wireshark因為抓的包太多，處理不了導致軟件崩潰）

按開始后抓包，等待接收到10000個包后停止抓包，用時0.087932秒。

我們可以看到每個數(shù)據(jù)包的內容都是00->FF的數(shù)據(jù)，總共是3個00->FF,1個00->e7的數(shù)據(jù)?？偣彩?000個有效數(shù)據(jù)。

這里我們看到軟件用了0.087932秒收到了10000個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包里含有的有效數(shù)據(jù)是1000個字節(jié)(8bit)。所以我們可以算出以太網的傳輸速度為:

傳輸速度 = 1000* 10000 * 8 / 0.087932 = 910Mbps。

這里提示一下，網絡傳輸?shù)乃俣雀L也有關系，數(shù)據(jù)包長越長，效率就越高，傳輸數(shù)據(jù)的速度會變高；數(shù)據(jù)包越短，效率就越低，傳輸數(shù)據(jù)的速度就慢。這個道理我想大家應該明白的吧！

下面是1000000包的時間是8.799832秒，自己可以按照上面的方面算下速度，速度是非常穩(wěn)定的。

6.4 以太網100M/1000M測試

改變電腦的網卡速度，首先打開網絡連接，找到本地網卡，右鍵點擊屬性彈出如下窗口，再點擊配置。

在彈出的窗口中找到鏈接速度，選擇100Mbps全雙工，點擊確定，等待幾秒鐘，會發(fā)現(xiàn)LED燈會發(fā)生改變，之后再按前面的操作步驟進行測試。

到這里為止，我們的以太網數(shù)據(jù)通信就全部結束了，要實現(xiàn)以太網的數(shù)據(jù)通信首先需要理解以太網數(shù)據(jù)包的格式和通信協(xié)議，還需要了解MAC和PHY之間的GMII,RGMII,MII,RMII接口的時序。千兆以太網的數(shù)據(jù)傳輸速度非常快，而且是全雙工傳輸，而且UDP通信的數(shù)據(jù)速度可以達到900Mbps以上，非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希热?a href="http://www.delux-kingway.cn/v/" target="_blank">視頻圖像傳輸，高速數(shù)據(jù)采集等等。