千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现（UDP接收）

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前言

在前面我们对以太网 UDP 帧格式做了讲解，UDP 帧格式包括前导码+帧界定符、以太网头部数据、IP 头部数据、UDP 头部数据、UDP 数据、FCS 数据，以太网接收模块同样是按照该格式接收数据。

提示：任何文章不要过度深思！万事万物都经不起审视，因为世上没有同样的成长环境，也没有同样的认知水平，更「没有适用于所有人的解决方案」 ；不要急着评判文章列出的观点，只需代入其中，适度审视一番自己即可，能「跳脱出来从外人的角度看看现在的自己处在什么样的阶段」才不为俗人 。怎么想、怎么做，全在乎自己「不断实践中寻找适合自己的大道」

心得体会

（1）UDP接收数据，无论是MAC地址，还是IP地址，或者UDP端口，其源端口都为计算机；
（2）在接收数据时不关心源端口（计算机）的MAC地址，还是IP地址，或者UDP端口，只关心目的地址，也就是说接收数据时可以将源端口MAC地址，IP地址，UDP端口全部置 0；
（3）验证时一定要弄清目的地址（开发板）的MAC和P地址，这里与UDP发送中目的MAC、IP（计算机）是相反的，此处需要注意；
（4）本实验针对千兆网，注意查看电脑是否支持。

一、 UDP 协议简单回顾

以太网 UDP 帧的用户数据是打包在 UDP 协议中，而 UDP 协议又是基于 IP 协议之上的，IP 协议又是走 MAC 层发送的，即从包含关系来说：MAC 帧中的数据段为 IP 数据报文，IP 报文中的数据段为 UDP 报文，UDP 报文中的数据段为用户希望传输的数据内容下图为使用 UDP 协议发送数据的层层打包示意图。

其中，和以太网帧、IP 报文具有帧头一样，UDP 数据报也包含了一个 UDP 报头部分，与 UDP 协议相关的一些信息如端口号，数据包长度等会被打包进 UDP 报头中，然后再与需要传输的 UDP 报文数据一起，作为 IP 报文的数据段送往 IP 层发送。

二、UDP接收实现

GMII 接口信号连接关系及各信号的介绍如下。

（注：表格中的方向是站在 MAC 侧角度看的）

此处给出GMII 接口信号连接关系及各信号的介绍，是为了明确UDP发送与接收需要什么输入与输出。

下面将对各个状态的实现及功能进行简要介绍。

1. IDLE
   空闲状态，当产生接收数据有效信号时，进入PREAMBLE_CODE状态，否则处于 IDLE 状态，代码如下所示：

 IDLE:     begin
							    GMII_RX_DONE <= 0;
								if(GMII_DV_reg1 && !GMII_DV_reg2)
									begin
										  curr_state <= PREAMBLE_CODE;
										  crc_init <= 1;
									end
								else
								  curr_state <= curr_state;
							end

上述代码中的GMII_DV_reg1 信号是将接收数据有效信号GMII_DV寄存之后打一拍得到的，GMII_DV_reg2 信号是将GMII_DV_reg1信号打一拍得到的，将GMII_DV_reg2 信号取反与
GMII_DV_reg1 相与得到接收数据有效脉冲，得到该信号之后，进入到PREAMBLE_CODE 状态，

GMII_DV_reg1 信号和GMII_DV_reg2 信号的实现代码如下所示，代码中对GMII_TXD 信号也进
行了寄存和打拍操作，得到crc_data用于计算crc校验判断与接收到的CRC值是否一致，后续有关crc_xx名称均为计算crc校验所需输入。

//输入数据寄存
	always @ (posedge clk125m_o  or  negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			begin
				GMII_ER_reg <= 0;
				GMII_DV_reg <= 0;
				GMII_TXD_reg<= 0;
			end
		else begin
		        GMII_ER_reg <= GMII_ER;
				GMII_DV_reg <= GMII_DV;
				GMII_TXD_reg<= GMII_TXD;
		     end
			
	
	
	
	//数据打两拍判断接收起始
	always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
	    if(!reset_n)
			begin
			
				GMII_DV_reg1 <= 0;
				GMII_DV_reg2 <= 0;
				
				GMII_TXD_reg1<= 0;
				GMII_TXD_reg2<= 0;
				crc_data        <= 0;
			
			end
		else
			begin
					GMII_DV_reg1 <= GMII_DV_reg;
					GMII_DV_reg2 <= GMII_DV_reg1;
					
					GMII_TXD_reg1<= GMII_TXD_reg;
					GMII_TXD_reg2<= GMII_TXD_reg1;
					crc_data     <= GMII_TXD_reg2;   
					
			end
	

2. PREAMBLE_CODE 状态
   处于 PREAMBLE_CODE状态的时候，当以太网接收到帧界定符（D5）和 7 个的前导码（55）
   时，进入到ETH_HEADER 状态，代码如下所示：

PREAMBLE_CODE:
								begin
									crc_init <= 0;
									if(cnt_preamble == 4'd7)
									  begin
										  curr_state <= ETH_HEADER;
										  cnt_preamble <= 0;
									  end
									  
									
									else
										begin
											cnt_preamble <= cnt_preamble + 1'b1;
											curr_state <= curr_state;
										end
                                end

3. ETH_HEADER
   处于 ETH_HEADER 状态时，接收以太网头部数据，当接收完 14 个以太网头部数据之后，进入到 IP_HEADER 状态，如果接收不是7个55和一个D5，则表明此时数据接收错误，进入 IDLE 状态，然后当处于该状态的时候，根据 cnt_eth_header 的值，依次得到 14 个字节的以太网头部数据，分别是 MAC 目的地址（6 个字节）、MAC 源地址（6 个字节）和以太网类型（2 个字节），代码如下所示：

 ETH_HEADER:begin
								crc_en <= 1;
								if(cnt_eth_header == 4'd13)
									begin
										curr_state <= IP_HEADER;
										cnt_eth_header <= 0;
									end
								else if((cnt_eth_header == 4'd0) && (preamble_code_check_ok == 1'b0))
									begin
										curr_state <= IDLE;
										cnt_eth_header <= 0;
									end	
								else
									begin
										cnt_eth_header <= cnt_eth_header + 1'b1;
										curr_state <= curr_state;
									end
								
								case(cnt_eth_header)
									 
									  4'd0 :dst_mac_reg[47:40] <= GMII_TXD_reg2;   
									  4'd1 :dst_mac_reg[39:32] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd2 :dst_mac_reg[31:24] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd3 :dst_mac_reg[23:16] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd4 :dst_mac_reg[15:8]  <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd5 :dst_mac_reg[7:0]   <= GMII_TXD_reg2;

									  4'd6 :src_mac_reg[47:40] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd7 :src_mac_reg[39:32] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd8 :src_mac_reg[31:24] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd9 :src_mac_reg[23:16] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd10:src_mac_reg[15:8]  <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd11:src_mac_reg[7:0]   <= GMII_TXD_reg2;

									  4'd12:eth_type[15:8] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd13:eth_type[7:0]  <= GMII_TXD_reg2;
									  default: ;	
									
								endcase
						    end

其中preamble_code_check_ok为：

always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			preamble_code_check_ok <= 1'b0;
		else if((GMII_TXD_reg2 == 8'hd5) && (cnt_preamble == 4'd7))
			preamble_code_check_ok <= 1'b1;
		else
			preamble_code_check_ok <= 1'b0;

4. IP_HEADER
   （1）接收以太网 IP 头部数据状态IP_HEADER，首先得对接收的以太网 IP 头部数据进行计数，定义一个计数器 cnt_ip_header，当处于该状态的时候进行计数，否则清零，
   （2）然后当处于 IP_HEADER 状态时，获取以太网 IP 头部数据，根据 cnt_ip_header 的值，一共需要获取 20 个字节的数据，分别为 IP 版本（ip_ver）、首部长度（ip_hdr_len）、服务类型（ip_tos）、数据报总长度（total_len）、标识主机发送的每一份数据报（ip_id）、标志位（ip_rsv、ip_df、ip_mf）、段偏移量（ip_frag_offset）、生存期（ip_ttl）、IP 的协议封装类型（ip_protocol）、头部校验和（ip_check_sum）、源 IP 地址（src_ip）和目的 IP 地址（dst_ip），代码如下所示：

IP_HEADER:begin
									if(cnt_ip_header == 5'd19)
									    begin
										    curr_state <= UDP_HEADER;
											udp_data_length_reg <= ip_total_len - 16'd20 - 16'd8;
											cnt_ip_header <= 5'd0;
											ip_cal_en     <= 1;
											
										end
									else if(cnt_ip_header >= 5'd1 && eth_header_check_ok == 1'b0)
									    begin
											curr_state <= IDLE;
											cnt_ip_header <= 0;
											
										end
									else
										begin
											cnt_ip_header <= cnt_ip_header + 1'b1;
											curr_state <= curr_state;
										end
									case (cnt_ip_header)
										          5'd0:   {
   ip_ver,ip_hdr_len}                       <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd1:   ip_tos                                    <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd2:   ip_total_len[15:8]                        <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd3:   ip_total_len[7:0]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd4:   ip_id[15:8]                               <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd5:   ip_id[7:0]                                <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd6:   {
   ip_rsv,ip_df,ip_mf,ip_frag_offset[12:8]} <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd7:   ip_frag_offset[7:0]                       <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd8:   ip_ttl                                    <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd9:   ip_protocol                               <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd10:  ip_check_sum[15:8]                        <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd11:  ip_check_sum[7:0]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd12:  src_ip_reg[31:24]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd13:  src_ip_reg[23:16]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd14:  src_ip_reg[15:8]                          <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd15:  src_ip_reg[7:0]                           <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd16:  dst_ip_reg[31:24]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd17:  dst_ip_reg[23:16]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd18:  dst_ip_reg[15:8]                          <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd19:  dst_ip_reg[7:0]                           <= GMII_TXD_reg2;      
												  default: ;
										
					                endcase
					        end

（3）在 ETH_HEADER 状态时，我们获取了以太网头部数据，进入本状态 IP_HEADER 之后，需要判断之前获取的以太网头部数据是否正确，当获取的数据类型等于 ETH_type（0x0800），得到的 MAC 地址等于代码中设定的值Local_mac 时，则代表以太网头部数据接收成功将eth_header_check_ok 信号拉高，否则为低，

always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			eth_header_check_ok <= 1'b0;
		
		else if((eth_type == ETH_type) && (dst_mac_reg == Local_mac) )
		
			eth_header_check_ok <= 1'b1;
		else
			eth_header_check_ok <= 1'b0;

5. UDP_HEADER
   （1）接收 UDP 头部数据状态 UDP_HEADER，进入该状态之后，首先设置一个计数cnt_udp_header 用来计数得到的 UDP 头部数据的个数，
   （2）在 UDP_HEADER 状态时，需要判断前一个状态获取的以太网 IP 头部数据是否正确，当获取的数据正确时，将 ip_header_check_ok 信号拉高，否则为低，

always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			ip_header_check_ok <= 1'b0;
		else if({IP_ver,IP_hdr_len,IP_protocol,Check_sum,Local_ip} == 
          {ip_ver,ip_hdr_len,ip_protocol,ip_check_sum,dst_ip_reg})
			ip_header_check_ok <= 1'b1;
		else
			ip_header_check_ok <= 1'b0;

（3）当 cnt_udp_header 计数到 1并且 ip_header_check_ok 信号为 0 时，则代表接收数据出
错，返回 IDLE 状态；当 cnt_udp_header