ZYNQ基础系列（七） LWIP数据通路 -- PL数据->PS->PC机（TCP）

LWIP数据通路

实验准备：

基础概念
以太网MAC是一个基础模块，它使得我们可以实现一个TCP/IP协议栈，协议使得应用可以基于网络来通信。如果想要解析一个TCP/IP协议栈，需要了解以下层次：
• 第一层——物理层：（描述物理连接）主要由外部物理层芯片实现
• 第二层——数据链路层：（描述物理层上数据传输的途径）可以由PS的MAC实现
• 第三层——网络层：（描述不同网络间数据传输的途径）提供网络路由和寻址层，可以使IPv4或者IPv6
• 第四层——传输层：（提供终端用户间的数据传输）TCP
• 第五层——应用层：应用层操作数据

SDK开发环境包含一个轻量级的IP栈(lwIP)，lwIP是个开源IP栈，在Zynq上的PS中有两个千兆以太网控制器，每个控制器都是可配置的，并且可以单独控制，千兆以太网控制器可以实现一个MAC（介质访问控制层）（数据链路层的组成之一），物理层主要是由外部的PHY芯片、电缆或光纤完成

应用和lwIP栈接口的主要方法：（详情参考XAPP1026）
　　• Raw——没有操作系统时使用的基本API，基于事件驱动，使用lwIP的应用在该模式下在触发如接收数据等事件时调用相应的回调函数
　　• Sockets——使用在运行操作系统的Zynq上，该方法使用到线程，应用使用它来和lwIP栈通信

实验目的：
PS通过AXI-GPIO核通知PL循环构造32bit位宽的0-1001的数据，写入FIFO，利用AXI-DMA核将FIFO中的数据读入到DDR中，PL每发完一次 0-1001，AXI-DMA核便会产生一个中断信号到PS，PS 得到中断信号后将 DDR3缓存的数据以乒乓操作的方式通过TCP协议发送至PC机

硬件环境搭建：

0.创建工程，创建原理图，调出PS的核等
1.根据实际硬件设置PS的相关参数

设置PS输入时钟频率，和输出到PL的频率

设置DDR型号

添加一个HP口

添加PL到PS的中断口

更改bank电压和网口引脚配置

添加串口用于调试
2.调出并配置AXI-GPIO的参数

3.调出并配置AXI-DMA的参数

只配置写通道
4.调出并配置AXI-FIFO的参数

直接设置为同步FIFO，输入宽度为32bit
5.创建数据生成逻辑模块

module ctrl(
input clk,
input rst,
input start,
input S_AXIS_tready,
output S_AXIS_tvalid,
output S_AXIS_tlast,
output [31:0] S_AXIS_tdata
);
reg S_AXIS_tvalid;
reg S_AXIS_tlast;
reg [31:0] S_AXIS_tdata;
reg [1:0] state;

always@(posedge clk) begin
  if(!rst) begin 
    S_AXIS_tvalid <= 1'b0;
    S_AXIS_tlast <= 1'b0;
    S_AXIS_tdata <= 32'd0;
    state <= 0;
  end
  else begin
    case(state) //状态机
    0: begin
      if(start&&S_AXIS_tready) begin //启动信号到来且FIFO可写
        S_AXIS_tvalid <= 1'b1;       //设置写FIFO有效
        state <= 1;
      end
      else begin
        S_AXIS_tvalid <= 1'b0;
        state <= 0;
      end
    end
    1:begin
      if(S_AXIS_tready) begin //FIFO可写
        S_AXIS_tdata <= S_AXIS_tdata + 32'b1;
        if(S_AXIS_tdata == 32'd1000) begin //判断是否结束
          S_AXIS_tlast <= 1'b1;//发送最后一个数据
          state <= 2;
        end
        else begin//等待数据发完
          S_AXIS_tlast <= 1'b0;
          state <= 1;
        end
      end
      else begin//等待FIFO可写
        S_AXIS_tdata <= S_AXIS_tdata;
        state <= 1;
      end
    end
    2:begin
      if(!S_AXIS_tready) begin //FIFO满则等待
        S_AXIS_tvalid <= 1'b1;
        S_AXIS_tlast <= 1'b1;
        S_AXIS_tdata <= S_AXIS_tdata;
        state <= 2;
      end
      else begin //写入结束
        S_AXIS_tvalid <= 1'b0;
        S_AXIS_tlast <= 1'b0;
        S_AXIS_tdata <= 16'd0;
        state <= 0;
      end
    end
    default: state <=0;
    endcase
  end
end
endmodule

6.向工程中添加ctrl模块，并拖拽到原理图中

7.连接模块

注意：上图中的AXI-DMA到PS的中断线忘记接了，导致SDK中找不到中断的ID，SDK报错
解决方案：在上图的基础上，将AXI-DMA中断输出信号连接至PS中断输入

8.进行以下操作后，生成bit文件
Gerate Output products、Create wrappers、Generate Bitstream、导出硬件、运行SDK

SDK环境搭建：

0.新建工程应用
1.设置BSP

添加LWIP库

2.设置LWIP库参数

设置为RAW模式裸机运行，上述两项写0




增大以上参数提高TCP传输效率

3.SDK的主要程序已上传至
https://gitee.com/long_fly/LWIP
大致分析：
main.c：对各设备和IP协议栈初始化，与服务器建立连接，通知PL产生数据并写到FIFO，在while循环中将PL产生的数据通过TCP发送给PC机
tcp_transmission.c：包含tcp的初始化函数、连接服务器成功的回调函数、和将DMA数据通过TCP发送给PC的函数，需要注意的是SEND_SIZE和PAKET_LENGTH是按照字节数算的，要不小于FIFO的一帧数据的字节数
dma_intr.c：DMA初始化和接收中断的处理函数
sys_intr.c：系统初始化函数
timer_intr.c：定时器初始化

4.实验测试
连上网线，设置电脑本地连接的属性

使用网络调试助手，设置为TCP服务器模式，IP填192.168.1.209（和上图一致），端口号为7（SDK中设置的目的端口），最后测速可达500多M带宽

本实验主要是通过LWIP大致的了解一下网络的相关知识，为之后的SFP万兆光网通信开路，本实验的IP协议栈是通过LWIP实现，数据链路层以PS的MAC为主实现，最后直接接到外部PHY物理层芯片，通过网络变压器连接水晶头，而之后要用的万兆光网通信需要用到PL中的10G MAC的IP核，然后连接至外部的SFP模块，IP协议栈可能要通过逻辑实现，之后会再夯实网络相关的基础知识