基于FPGA的千兆以太网传输实例——ARP和UDP的实现
本文基于FPGA实现了ARP和UDP传输协议。
开发环境：Win7
开发软件：Quartus17.1、Modelsim SE-64 10.2c、Gvim编辑器、小兵以太网测试仪、Wireshark
开发硬件：小梅哥AC6102_V2开发板
注意：本工程都假设FPGA设备IP地址为192.168.0.2（即0xc0_a8_00_02），MAC地址为0x00_0a_35_01_fe_c0，PC端IP地址为192.168.0.3（即0xc0_a8_00_03）
1 以太网原理介绍
1.1 以太网帧
在以太网链路上的数据包称作以太网帧。以太网帧起始部分由前导码和帧开始符组成。后面紧跟着一个以太网报头，以MAC地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如IP协议、ARP协议)。以太帧由一个32位冗余校验码结尾。它用于检验数据传输是否出现损坏。以太网帧格式如下图所示。
1.前导码和帧开始符是固定的，为7个0x55紧跟着1个0xd5
2.目的MAC地址指明帧的接受者
3.源MAC地址指明帧的发送者
4.以太网类型，指示帧的类型，比如0x0800表示该帧是IP数据包，0x0806表示该帧是ARP协议数据包
5.数据和填充就是所承载的数据包，跟前面以太网类型对应。
6.帧校验序列是一个32位的循环校验码（FCS）。
每一个设备都有一个不同的MAC地址，当一个设备A发送一个以太网帧，源MAC地址是自己的MAC地址，目的MAC地址如果是0xffffff，此时就是广播，所有与之连接的设备都会收到该帧，如果目的MAC地址是一个独特的MAC地址，那么本地MAC地址与之相同的设备将会接收到该以太网帧，然后通过判断以太网帧类型，进行下一步数据包解析。
1.2 ARP协议
ARP协议，全称为Address Resolution Protocol，即地址解析协议，ARP协议属于以太网帧的一种，前面以太网帧介绍中有说到，我们如果从设备A发送以太网帧到设备B，我们不可能每次都进行广播，那么设备A如何知道设备B的物理地址呢？ARP协议就是为了解决这个问题。
首先设备Ａ广播，发送ARP请求，等收到设备B的ARP应答以后就能知道设备B的MAC地址。ARP帧格式如下图所示
ARP字段就是前面以太网帧待填充的数据。
硬件类型、上层协议类型、MAC地址长度、IP地址长度均固定不变。
假设设备A的IP地址为192.168.0.2，MAC地址为0x00_0a_35_01_fe_c0，我们知道目的IP地址为192.168.0.3，不知道该IP地址对应的MAC地址，如果设备A想要和IP地址为192.168.0.3的设备B进行通信（如UDP或者IP通信），就必须知道它的MAC地址。此时设备A就需要广播发送ARP请求，接收方MAC地址填0xff_ff_ff_ff_ff_ff。这样IP地址为192.168.0.3的设备就会解析出这是一个ARP请求，它询问自身的MAC地址，此时它就会做出ARP应答，将自身的MAC地址发送给对应IP地址的设备A。
注意发送ARP请求时，操作码为0x0001，应答时操作码为0x0002。
1.3 IP协议
TCP/IP协议定义了一个在因特网上传输的包，称为IP数据包，而IP数据报(IP Datagram)是个比较抽象的内容，是对数据包的结构进行分析。 由首部和数据两部分组成，其格式如下图图所示。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。首部中的源地址和目的地址都是IP协议地址。
1.4 UDP协议
UDP 协议是一种不可靠传输，发送方只负责将数据发送出去，而不管接收方是否正确的接收。 非常类似于 UART 串口传输。 但是，在很多场合，是可以接受这种潜在的不可靠性的，例如视频实时传输显示。 在这类系统中，由于数据并不需要进行运算并得到非常精确的结果用于其他功能，而仅仅是显示在屏幕上，因此可以接受一定程度的丢包或者误码。此类应用在 LED 大屏显示系统中应用非常广泛。UDP帧组成如下图所示
2 GMII接口介绍
在芯航线 AC6102 开发板上，设计了一路 GMII 接口的千兆以太网电路，通过该以太网电路，用户可以将 FPGA 采集或运算得到的数据传递给其他设备如 PC 或服务器，或者接收其他设备传输过来的数据并进行处理。首先介绍一下GMII接口。
gmii_rx_clk是PHY发送过来的时钟，FPGA通过该时钟进行采样
gmii_rx_dv是接收数据有效标志，与gmii_rx_data对齐
gmii_rx_er是错误标志，当它有效时，说明发送帧错误
gmii_rx_data是PHY发送过来的数据
phy_rst_n是低电平复位信号
gmii_tx_clk是FPGA发送时钟，这里直接使用gmii_rx_clk即可
gmii_tx_en发送数据有效标志，与gmii_tx_data对齐
gmii_tx_er是错误标志
gmii_tx_data是FPGA发送给PHY的数据
以上就是GMII接口所有的信号。
在发送数据时，只需要按以下时序发送。
3 ARP协议实现
在本工程中，ARP实现分两部分，一是由FPGA发送ARP请求，二是对发送过来的ARP应答进行解析，得到目的IP地址对应的MAC地址。
这样我们就可以知道，发送ARP请求完整的帧内容了。如下图所示。（数据格式为16进制）
除了CRC32校验值之外，其他都是固定的，CRC32需要进行计算。关于CRC32的8位并行计算，大家可以参考下面这篇论文。千兆以太网MAC中CRC算法的设计与实现
用CRC计算软件可以算出，也可以用FPGA实现。
由计算软件看出crc32校验结果为0x63f9a3ca，在发送时，按7-0、15-8、23-16、31-24的顺序发送。
下面给出CRC32的FPGA实现代码：
module crc(
input clk ,
input rst_n ,
input [ 7: 0] din ,
input crc_en ,
input crc_init ,
output reg [31: 0] crc
);
//======================================================================\
//************** Define Parameter and Internal Signals *****************
//======================================================================/
wire [ 7: 0] data ;
wire [31: 0] crc_next ;
//======================================================================\
//**************************** Main Code *******************************
//======================================================================/
assign data={din[0],din[1],din[2],din[3],din[4],din[5],din[6],din[7]};
assign crc_next[0] = crc[24] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[6];
assign crc_next[1] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[2] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[3] = crc[25] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[7];
assign crc_next[4] = crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6];
assign crc_next[5] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[6] = crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[7] = crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5] ^ data[7];
assign crc_next[8] = crc[0] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4];
assign crc_next[9] = crc[1] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5];
assign crc_next[10] = crc[2] ^ crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5];
assign crc_next[11] = crc[3] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4];
assign crc_next[12] = crc[4] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6];
assign crc_next[13] = crc[5] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[14] = crc[6] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[15] = crc[7] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[7];
assign crc_next[16] = crc[8] ^ crc[24] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ data[0] ^ data[4] ^ data[5];
assign crc_next[17] = crc[9] ^ crc[25] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[1] ^ data[5] ^ data[6];
assign crc_next[18] = crc[10] ^ crc[26] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[2] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[19] = crc[11] ^ crc[27] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[7];
assign crc_next[20] = crc[12] ^ crc[28] ^ data[4];
assign crc_next[21] = crc[13] ^ crc[29] ^ data[5];
assign crc_next[22] = crc[14] ^ crc[24] ^ data[0];
assign crc_next[23] = crc[15] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[6];
assign crc_next[24] = crc[16] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[7];
assign crc_next[25] = crc[17] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ data[2] ^ data[3];
assign crc_next[26] = crc[18] ^ crc[24] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6];
assign crc_next[27] = crc[19] ^ crc[25] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[7];
assign crc_next[28] = crc[20] ^ crc[26] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[2] ^ data[5] ^ data[6];
assign crc_next[29] = crc[21] ^ crc[27] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[6] ^ data[7];
assign crc_next[30] = crc[22] ^ crc[28] ^ crc[31] ^ data[4] ^ data[7];
assign crc_next[31] = crc[23] ^ crc[29] ^ data[5];
//crc 这里用下降沿采集，是为了crc能提前半拍送到eth_mac_send模块中，这个很重要
//否则crc高8位会发送出错，自己可以修改代码试试看
always @(negedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n == 1'b0)begin
crc <= {32{1'b1}};
end
else if(crc_init)begin
crc <= {32{1'b1}};
end
else if(crc_en)begin
crc <= crc_next;
end
end
endmodule
下面是用SignalTap抓取到的信号，如下图所示。
帧头部分：
帧尾FCS部分：
可以看出发送的校验码为0xca_a3_f9_63与CRC计算机软件计算结果一致。
3.1 ARP请求
FPGA实现ARP请求非常简单。首先定义模块信号。
module arp_request(
input clk ,//125M
input rst_n ,
input [31: 0] src_ip_addr ,
input [31: 0] dest_ip_addr ,
input [47: 0] src_mac_addr ,
input [47: 0] dest_mac_addr ,
input [31: 0] crc ,
output reg crc_init ,
output reg crc_en ,
//gmii
output reg gmii_tx_en ,
output reg [ 7: 0] gmii_tx_data
);
用计数器，在计数变化时，将每一个字节通过gmii_tx_data发送即可。具体请看工程源码。
3.2 ARP应答解析
在FPGA发送ARP请求后，对应IP地址将会做出APR应答发送其对应MAC地址，此时通过FPGA的ARP应答解析模块即可正确解析出目标MAC地址，从而为UDP协议传输奠定基础。
具体实现：
①判断目标MAC地址是否是FPGA设备的MAC地址
②判断操作码是否是0x0002
③判断PC端IP地址是否是192.168.0.3
④判断目的IP地址是否是192.168.0.2
只有以上条件均满足时，我们认为这是一条ARP应答包，从而更新IP为192.168.0.3对应的MAC地址。具体请看工程源码
4 UDP协议传输实现
在这里，我通过按键，生成1200个字节的数据，从0-255循环变化，然后封装成UDP包发送到PC端。从而实现UDP协议传输。
由上面UDP介绍，我们可以知道发送一个UDP包的主要构成，如下图所示：
IP数据包的报头校验和：
0x4500+0x04cc+0x0000+0x0000+0x4011+0xc0a8+0x0002+0xc0a8+0x0003 = 0x20b32
0x0002+0x0b32 = 0x0b34
checksum = ~(0x0b34) = 0xf4cb
同样的，我们使用计数器来发送对应数据。
UDP发送模块如下：
module udp_send(
input clk ,
input clk_50m ,
input rst_n ,
input [31: 0] src_ip_addr ,
input [31: 0] dest_ip_addr ,
input [47: 0] src_mac_addr ,
input [47: 0] dest_mac_addr ,
//fifo
input [10: 0] fifo_rdusedw ,
input [ 7: 0] fifo_rd_data ,
output reg fifo_rdreq ,
//crc
input [31: 0] crc ,
output reg crc_init ,
output reg crc_en ,
//gmii
output reg gmii_tx_en ,
output reg [ 7: 0] gmii_tx_data
);
//======================================================================\
//************** Define Parameter and Internal Signals *****************
//======================================================================/
parameter DATA_LEN = 16'd1200 ;//发送的UDP数据长度
parameter PREAMBLE = 8'h55 ;
parameter SFD = 8'hd5 ;
parameter LEN_TYPE = 16'h0800 ;
parameter VER_HDR_LEN = 8'h45 ;
parameter TOS = 8'h00 ;
parameter TOTAL_LEN = DATA_LEN+28 ;
parameter ID = 16'h0000 ;
parameter RSV_DF = 8'h00 ;
parameter MF_FRAG_OFFSET = 8'h00 ;
parameter TTL = 8'h40 ;
parameter PROTOCOL = 8'h11 ;
parameter SRC_PORT = 16'd5000 ;
parameter DST_PORT = 16'd6000 ;
parameter UDP_LEN = DATA_LEN+8 ;
parameter UDP_CHECKSUM = 16'h0000 ;
wire [19: 0] ip_check_sum1 ;
wire [19: 0] ip_check_sum2 ;
wire [15: 0] ip_check_sum ;
reg trig_udp_send ;
reg flag_udp_send ;
reg [10: 0] udp_byte_cnt ;
wire add_udp_byte_cnt ;
wire end_udp_byte_cnt ;
reg [ 7: 0] udp_data ;
//======================================================================\
//**************************** Main Code *******************************
//======================================================================/
//check_sum1 进位为17'hxff这种情况时,check_sum1，前16与后16位相加可能还会在第
//17位进1
assign ip_check_sum1 = {VER_HDR_LEN, 8'h00} + TOTAL_LEN + {TTL, PROTOCOL} + src_ip_addr[31:16] + src_ip_addr[15:0] + dest_ip_addr[31:16] + dest_ip_addr[15:0];//width<=20
//check_sum2
assign ip_check_sum2 = ip_check_sum1[19:16] + ip_check_sum1[15:0];//width<=17
assign ip_check_sum = ~(ip_check_sum2[19:16] + ip_check_sum2[15:0]);//width<=16
//trig_udp_send
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
trig_udp_send <= 1'b0;
end
else if(fifo_rdusedw == DATA_LEN-1)begin//
trig_udp_send <= 1'b1;
end
else begin
trig_udp_send <= 1'b0;
end
end
//flag_udp_send
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
flag_udp_send <= 1'b0;
end
else if(trig_udp_send)begin
flag_udp_send <= 1'b1;
end
else if(end_udp_byte_cnt)begin
flag_udp_send <= 1'b0;
end
end
//udp_byte_cnt
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
udp_byte_cnt <= 0;
end
else if(add_udp_byte_cnt)begin
if(end_udp_byte_cnt)
udp_byte_cnt <= 0;
else
udp_byte_cnt <= udp_byte_cnt + 1;
end
end
assign add_udp_byte_cnt = flag_udp_send;
assign end_udp_byte_cnt = add_udp_byte_cnt && udp_byte_cnt == DATA_LEN+54-1;//前导码+分隔符8个，MAC帧头14，CRC校验4
//fifo_rdreq
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
fifo_rdreq <= 1'b0;
end
else if(udp_byte_cnt == 50-1)begin
fifo_rdreq <= 1'b1;
end
else if(udp_byte_cnt == DATA_LEN+50-1)begin//校验码之前
fifo_rdreq <= 1'b0;
end
end
//--------------------------------------------------------------------\\
//gmii_tx_en
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
gmii_tx_en <= 1'b0;
end
else if(flag_udp_send)begin
gmii_tx_en <= 1'b1;
end
else begin
gmii_tx_en <= 1'b0;
end
end
//gmii_tx_data
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
gmii_tx_data <= 8'h00;
end
else if(flag_udp_send)begin
case(udp_byte_cnt)
0,1,2,3,4,5,6: gmii_tx_data <= PREAMBLE;
7: gmii_tx_data <= SFD;
//帧头
8: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[47:40];
9: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[39:32];
10: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[31:24];
11: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[23:16];
12: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[15: 8];
13: gmii_tx_data <= dest_mac_addr[ 7: 0];
14: gmii_tx_data <= src_mac_addr[47:40];
15: gmii_tx_data <= src_mac_addr[39:32];
16: gmii_tx_data <= src_mac_addr[31:24];
17: gmii_tx_data <= src_mac_addr[23:16];
18: gmii_tx_data <= src_mac_addr[15: 8];
19: gmii_tx_data <= src_mac_addr[ 7: 0];
20: gmii_tx_data <= LEN_TYPE[15: 8];
21: gmii_tx_data <= LEN_TYPE[ 7: 0];
//IP
22: gmii_tx_data <= VER_HDR_LEN;//8'h45
23: gmii_tx_data <= TOS;
24: gmii_tx_data <= TOTAL_LEN[15: 8];
25: gmii_tx_data <= TOTAL_LEN[ 7: 0];
26: gmii_tx_data <= ID[15: 8];
27: gmii_tx_data <= ID[ 7: 0];
28: gmii_tx_data <= RSV_DF;
29: gmii_tx_data <= MF_FRAG_OFFSET;
30: gmii_tx_data <= TTL;
31: gmii_tx_data <= PROTOCOL;
32: gmii_tx_data <= ip_check_sum[15: 8];
33: gmii_tx_data <= ip_check_sum[ 7: 0];
34: gmii_tx_data <= src_ip_addr[31:24];
35: gmii_tx_data <= src_ip_addr[23:16];
36: gmii_tx_data <= src_ip_addr[15: 8];
37: gmii_tx_data <= src_ip_addr[ 7: 0];
38: gmii_tx_data <= dest_ip_addr[31:24];
39: gmii_tx_data <= dest_ip_addr[23:16];
40: gmii_tx_data <= dest_ip_addr[15: 8];
41: gmii_tx_data <= dest_ip_addr[ 7: 0];
//udp
42: gmii_tx_data <= SRC_PORT[15: 8];
43: gmii_tx_data <= SRC_PORT[7 : 0];
44: gmii_tx_data <= DST_PORT[15: 8];
45: gmii_tx_data <= DST_PORT[7 : 0];
46: gmii_tx_data <= UDP_LEN[15: 8];
47: gmii_tx_data <= UDP_LEN[7 : 0];
48: gmii_tx_data <= UDP_CHECKSUM[15: 8];
49: gmii_tx_data <= UDP_CHECKSUM[7 : 0];
//crc
DATA_LEN+50: gmii_tx_data <= ~{crc[24], crc[25], crc[26], crc[27], crc[28], crc[29], crc[30], crc[31]};
DATA_LEN+51: gmii_tx_data <= ~{crc[16], crc[17], crc[18], crc[19], crc[20], crc[21], crc[22], crc[23]};
DATA_LEN+52: gmii_tx_data <= ~{crc[8], crc[9], crc[10], crc[11], crc[12], crc[13], crc[14], crc[15]};
DATA_LEN+53: gmii_tx_data <= ~{crc[0], crc[1], crc[2], crc[3], crc[4], crc[5], crc[6], crc[7]};
default: gmii_tx_data <= fifo_rd_data;
endcase
end
else begin
gmii_tx_data <= 8'h00;
end
end
//---------------------------CRC-----------------------------------\\
//crc_init
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
crc_init <= 1'b0;
end
else if(udp_byte_cnt == (8-1))begin
crc_init <= 1'b1;
end
else begin
crc_init <= 1'b0;
end
end
//crc_en
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
crc_en <= 1'b0;
end
else if(udp_byte_cnt == (9-1))begin//9-1
crc_en <= 1'b1;
end
else if(udp_byte_cnt == (DATA_LEN+51-1))begin//1251-1
crc_en <= 1'b0;
end
end
endmodule
下面是用SignalTap抓取信号示意图
帧头部分，rdreq就是从fifp读取的数据然后通过封装成UDP发送
帧尾部分，可以看到，发送数据最后一个为175,的确发送了1200个数据（1199-1024=175）。
具体请看工程源码，然后自己下载跑一下就能理解了。
下面是工程源码下载链接基于FPGA的千兆以太网传输实例——ARP和UDP的实现