【紫光同創(chuàng)國(guó)產(chǎn)FPGA教程】【第二十三章】千兆以太網(wǎng)傳輸實(shí)驗(yàn)

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適用于板卡型號(hào)：

PGL22G

1. 簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)將實(shí)現(xiàn)FPGA芯片和PC之間進(jìn)行千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信, 通信協(xié)議采用Ethernet UDP通信協(xié)議。 FPGA通過(guò)RGMII總線和開(kāi)發(fā)板上的Gigabit PHY芯片通信, Gigabit PHY芯片把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線發(fā)給PC，程序中實(shí)現(xiàn)了ARP，UDP，PING功能，此外還實(shí)現(xiàn)了100/1000M自適應(yīng)。

2. 硬件介紹

在開(kāi)發(fā)板上通過(guò)1片RTL8211EG以太網(wǎng)PHY芯片為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。以太網(wǎng)PHY芯片是連接到Pango FPGA的IO接口上。芯片支持10/100/1000 Mbps網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，通過(guò)RGMII接口跟FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RTL8211EG支持MDI/MDX自適應(yīng)，各種速度自適應(yīng)，Master/Slave自適應(yīng)，支持MDIO總線進(jìn)行PHY的寄存器管理。當(dāng)網(wǎng)口Link到千兆以太網(wǎng)時(shí), FPGA通過(guò)RGMII總線和PHY芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)網(wǎng)口Link到百兆以太網(wǎng)時(shí), FPGA通過(guò)MII總線和PHY芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。另外FPGA可以通過(guò)MDI/MDIO管理接口來(lái)配置或讀取PHY芯片內(nèi)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(shí),發(fā)送時(shí)鐘為125Mhz的E_GTXC信號(hào), 數(shù)據(jù)為E_TXD[3:0], 數(shù)據(jù)有效信號(hào)為E_TXEN, E_TXC信號(hào)連接但沒(méi)有使用; 接收數(shù)據(jù)時(shí),接收時(shí)鐘為125Mhz的E_RXC信號(hào), 數(shù)據(jù)為E_RXC[3:0], 數(shù)據(jù)有效信號(hào)為E_RXDV。關(guān)于詳細(xì)的管腳說(shuō)明和RGMII/MII的通信時(shí)序，請(qǐng)大家參考RTL8211EG的芯片手冊(cè)。

硬件電路設(shè)計(jì)如下：

開(kāi)發(fā)板網(wǎng)絡(luò)部分電路

關(guān)于詳細(xì)的管腳說(shuō)明和RGMII的通信時(shí)序，請(qǐng)大家參考相關(guān)芯片手冊(cè)。

3. 以太網(wǎng)幀

3.1 以太網(wǎng)幀格式

下圖為以太網(wǎng)的幀格式：

前導(dǎo)碼（Preamble）：8字節(jié)，連續(xù)7個(gè)8’h55加1個(gè)8’hd5，表示一個(gè)幀的開(kāi)始，用于雙方設(shè)備數(shù)據(jù)的同步。

目的MAC地址：6字節(jié)，存放目的設(shè)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(shè)備的物理地址

類(lèi)型：2字節(jié)，用于指定協(xié)議類(lèi)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(bǔ)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(chēng)為幀校驗(yàn)序列，采用32位CRC校驗(yàn)，對(duì)目的MAC地址字段到數(shù)據(jù)字

段進(jìn)行校驗(yàn)。

進(jìn)一步擴(kuò)展，以UDP協(xié)議為例，可以看到其結(jié)構(gòu)如下，除了以太網(wǎng)首部的14字節(jié)，數(shù)據(jù)部分包含IP首部，UDP首部，應(yīng)用數(shù)據(jù)共46~1500字節(jié)。

3.2 ARP數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)發(fā)送包含目的IP地址的ARP請(qǐng)求廣播（MAC地址為48’hff_ff_ff_ff_ff_ff）到網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)，并接收返回消息，以此確定目標(biāo)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(shí)間，下次請(qǐng)求時(shí)直接查詢(xún)ARP緩存以節(jié)約資源。下圖為ARP數(shù)據(jù)報(bào)格式 。

幀類(lèi)型：ARP幀類(lèi)型為兩字節(jié)0806

硬件類(lèi)型：指鏈路層網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，1為以太網(wǎng)

協(xié)議類(lèi)型：指要轉(zhuǎn)換的地址類(lèi)型，采用0x0800 IP類(lèi)型，之后的硬件地址長(zhǎng)度和協(xié)議地址長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)6和4

OP字段中1表示ARP請(qǐng)求，2表示ARP應(yīng)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(qǐng)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(yīng)答。

3.3 IP 數(shù)據(jù)報(bào)格式

因?yàn)閁DP協(xié)議包只是IP包中的一種, 所以我們來(lái)介紹一下IP包的數(shù)據(jù)格式。下圖為IP分組的報(bào)文頭格式，報(bào)文頭的前20個(gè)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(hào)為 4 (即 IPv4)

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

區(qū)分服務(wù):占8位,用來(lái)獲得更好的服務(wù),在舊標(biāo)準(zhǔn)中叫做服務(wù)類(lèi)型,但實(shí)際上一直未被使用過(guò).1998 年這個(gè)字段改名為區(qū)分服務(wù).只有在使用區(qū)分服務(wù)(DiffServ)時(shí),這個(gè)字段才起作用.一般的情況下都不使用這個(gè)字段

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

標(biāo)識(shí):占16位,它是一個(gè)計(jì)數(shù)器,用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)

標(biāo)志(flag):

占3位,目前只有前兩位有意義

MF

標(biāo)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(gè)分片

DF

標(biāo)志字段中間的一位是 DF (Don't Fragment)

只有當(dāng) DF=0 時(shí)才允許分片

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

生存時(shí)間:占8位,記為T(mén)TL (Time To Live) 數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中可通過(guò)的路由器數(shù)的最大值,TTL 字段是由發(fā)送端初始設(shè)置一個(gè) 8 bit字段.推薦的初始值由分配數(shù)字 RFC 指定,當(dāng)前值為 64.發(fā)送 ICMP 回顯應(yīng)答時(shí)經(jīng)常把 TTL 設(shè)為最大值 255

協(xié)議:占8位,指出此數(shù)據(jù)報(bào)攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機(jī)的IP層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個(gè)處理過(guò)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(yàn)和:占16位,只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部不檢驗(yàn)數(shù)據(jù)部分，采用二進(jìn)制反碼求和，即將16位數(shù)據(jù)相加后，再將進(jìn)位與低16位相加，直到進(jìn)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(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）的英文縮寫(xiě)。UDP只提供一種基本的、低延遲的被稱(chēng)為數(shù)據(jù)報(bào)的通訊。所謂數(shù)據(jù)報(bào)，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(jīng)常用于圖像傳輸、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換等數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場(chǎng)合。

UDP協(xié)議的報(bào)頭格式：

UDP報(bào)頭由4個(gè)域組成，其中每個(gè)域各占用2個(gè)字節(jié)，具體如下：

① UDP源端口號(hào)

② 目標(biāo)端口號(hào)

③ 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度

④ 校驗(yàn)和

UDP協(xié)議使用端口號(hào)為不同的應(yīng)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(bào)通過(guò)源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過(guò)目標(biāo)端口接收數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度是指包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總字節(jié)數(shù)。因?yàn)閳?bào)頭的長(zhǎng)度是固定的，所以該域主要被用來(lái)計(jì)算可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)部分（又稱(chēng)為數(shù)據(jù)負(fù)載）。數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度根據(jù)操作環(huán)境的不同而各異。從理論上說(shuō)，包含報(bào)頭在內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。不過(guò)，一些實(shí)際應(yīng)用往往會(huì)限制數(shù)據(jù)報(bào)的大小，有時(shí)會(huì)降低到8192字節(jié)。

UDP協(xié)議使用報(bào)頭中的校驗(yàn)值來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全。校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過(guò)特殊的算法計(jì)算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計(jì)算。如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)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(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符，由此UDP協(xié)議可以檢測(cè)是否出錯(cuò)。雖然UDP提供有錯(cuò)誤檢測(cè)，但檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤校正，只是簡(jiǎn)單地把損壞的消息段扔掉，或者給應(yīng)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(gè)IP層子協(xié)議，包含在IP數(shù)據(jù)報(bào)里，用于IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)是否連通，主機(jī)是否可達(dá)等功能。其中ping功能采用回送請(qǐng)求和回答報(bào)文，回送請(qǐng)求報(bào)文類(lèi)型為8’h08，回答報(bào)文類(lèi)型為8’h00。

4. SMI(MDC/MDIO)總線接口

串行管理接口（Serial Management Interface），也被稱(chēng)作MII管理接口（MII Management Interface），包括MDC和MDIO兩條信號(hào)線。MDIO是一個(gè)PHY的管理接口，用來(lái)讀/寫(xiě)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(shí)鐘，由MAC端提供，在本實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘為2.5MHz。

4.1 SMI幀格式

如下圖，為SMI的讀寫(xiě)幀格式：

名稱(chēng)	說(shuō)明
Preamble	由MAC發(fā)送32個(gè)連續(xù)的邏輯“1”，同步于MDC信號(hào)，用于MAC與PHY之間的同步
ST	幀開(kāi)始位，固定為01
OP	操作碼，10表示讀，01表示寫(xiě)
PHYAD	PHY的地址，5 bits
REGAD	寄存器地址，5 bits
TA	Turn Around，MDIO方向轉(zhuǎn)換，在寫(xiě)狀態(tài)下，不需要轉(zhuǎn)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(gè)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(xiě)時(shí)序

1）讀時(shí)序

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

2）寫(xiě)時(shí)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(zhǔn)備好，在本實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以千兆以太網(wǎng)RGMII通信為例來(lái)設(shè)計(jì)verilog程序，會(huì)先發(fā)送預(yù)設(shè)的UDP數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)，每秒鐘發(fā)送一次，如果FPGA檢測(cè)網(wǎng)口發(fā)來(lái)的UDP的數(shù)據(jù)包，會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部的RAM中，再不斷的把RAM中的數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)口發(fā)回到ethernet網(wǎng)絡(luò)。程序分為兩部分，分別為發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了ARP，UDP，Ping功能。以下為原理實(shí)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(hào)，如果有效，表明IP或ARP的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以開(kāi)始發(fā)送。再進(jìn)入發(fā)送前導(dǎo)碼狀態(tài)，結(jié)束時(shí)發(fā)送mac_data_req，請(qǐng)求IP或ARP的數(shù)據(jù)，之后進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，最后進(jìn)入發(fā)送CRC狀態(tài)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，需要同時(shí)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
crc_result	in	32	CRC32結(jié)果
crcen	out	1	CRC使能信號(hào)
crcre	out	1	CRC復(fù)位信號(hào)
crc_din	out	8	CRC模塊輸入信號(hào)
mac_frame_data	in	8	從IP或ARP來(lái)的數(shù)據(jù)
mac_tx_req	in	1	MAC的發(fā)送請(qǐng)求
mac_tx_ready	in	1	IP或ARP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好
mac_tx_end	in	1	IP或ARP數(shù)據(jù)已經(jīng)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(jié)束
mac_data_valid	out	1	MAC數(shù)據(jù)有效信號(hào)，即gmii_tx_en
mac_data_req	out	1	MAC層向IP或ARP請(qǐng)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(yīng)的信號(hào)與數(shù)據(jù)。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結(jié)束
arp_tx_req	in	1	ARP發(fā)送請(qǐng)求
arp_tx_ready	in	1	ARP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)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(jié)束
arp_tx_ack	in	1	ARP發(fā)送響應(yīng)信號(hào)
ip_tx_req	in	1	IP發(fā)送請(qǐng)求
ip_tx_ready	in	1	IP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)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(jié)束
mac_tx_ready	out	1	MAC數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好信號(hào)
ip_tx_ack	out	1	IP發(fā)送響應(yīng)信號(hào)
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送響應(yīng)信號(hào)
mac_tx_req	out	1	MAC發(fā)送請(qǐng)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(jié)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(qǐng)求或ARP應(yīng)答請(qǐng)求信號(hào)，之后進(jìn)入請(qǐng)求或應(yīng)答等待狀態(tài)，并通知MAC層，數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，等待mac_data_req信號(hào)，之后進(jìn)入請(qǐng)求或應(yīng)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(bǔ)全46字節(jié)發(fā)送。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)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(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)
arp_request_req	in	1	ARP請(qǐng)求的請(qǐng)求信號(hào)
arp_reply_ack	out	1	ARP回復(fù)的應(yīng)答信號(hào)
arp_reply_req	in	1	ARP回復(fù)的請(qǐng)求信號(hào)
arp_rec_source_ip_addr	in	32	ARP接收的源IP地址，回復(fù)時(shí)放到目的IP地址
arp_rec_source_mac_addr	in	48	ARP接收的源MAC地址，回復(fù)時(shí)放到目的MAC地址
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結(jié)束
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送應(yīng)答
arp_tx_ready	out	1	ARP數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jié)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(qǐng)求信號(hào)，進(jìn)入等待發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度狀態(tài)，之后進(jìn)入產(chǎn)生校驗(yàn)和狀態(tài)，校驗(yàn)和是將IP首部所有數(shù)據(jù)以16位相加，最后將進(jìn)位再與低16位相加，直到進(jìn)入為0，再將低16位取反，得出校驗(yàn)和結(jié)果。此程序中校驗(yàn)和以樹(shù)型加法結(jié)構(gòu)，并插入流水線，能有效降低加法部分的延遲，但缺點(diǎn)是會(huì)消耗較多邏輯資源。如下圖ABCD四個(gè)輸入，A與B相加，結(jié)果為E，C與D相加，結(jié)果為F，再將E與F相加，結(jié)果為G，在每個(gè)相加結(jié)果之后都有寄存器。

在生成校驗(yàn)和之后，等待MAC層數(shù)據(jù)請(qǐng)求，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，并在即將結(jié)束發(fā)送IP首部后請(qǐng)求UDP或ICMP數(shù)據(jù)。等發(fā)送完，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)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(shí)間
ip_send_type	in	8	上層協(xié)議號(hào)，如UDP,ICMP
upper_layer_data	in	8	從UDP或ICMP過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
upper_data_req	out	1	向上層請(qǐng)求數(shù)據(jù)
mac_tx_ack	in	1	MAC發(fā)送應(yīng)答
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結(jié)束信號(hào)
mac_data_req	in	1	MAC層請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)
upper_tx_ready	in	1	上層UDP或ICMP數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
ip_tx_req	in	1	發(fā)送請(qǐng)求，從上層過(guò)來(lái)
ip_send_data_length	in	16	發(fā)送數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度
ip_tx_ack	out		產(chǎn)生IP發(fā)送應(yīng)答
ip_tx_busy	out		P發(fā)送忙信號(hào)
ip_tx_ready	out	1	IP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)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(jié)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(yīng)的信號(hào)與數(shù)據(jù)。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
mac_send_end	in	1	MAC數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束
udp_tx_req	in		UDP發(fā)送請(qǐng)求
udp_tx_ready	in	1	UDP數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(zhǎng)度
udp_tx_ack	out	1	輸出UDP發(fā)送應(yīng)答
icmp_tx_req	in	1	ICMP發(fā)送請(qǐng)求
icmp_tx_ready	in	1	ICMP數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(zhǎng)度
icmp_tx_ack	out	1	ICMP發(fā)送應(yīng)答
ip_tx_ack	in	1	IP發(fā)送應(yīng)答
ip_tx_req	in	1	IP發(fā)送請(qǐng)求
ip_tx_ready	out	1	IP數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好
ip_tx_data	out	8	IP數(shù)據(jù)
ip_send_type	out	8	上層協(xié)議號(hào)，如UDP,ICMP
ip_send_data_length	out	16	發(fā)送數(shù)據(jù)總長(zhǎng)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(xiě)入U(xiǎn)DP發(fā)送RAM，同時(shí)計(jì)算校驗(yàn)和，第二步將RAM中數(shù)據(jù)發(fā)送出去。UDP校驗(yàn)和與IP校驗(yàn)和計(jì)算方法一致。在計(jì)算時(shí)需要將偽首部加上，偽首部包括目的IP地址，源IP地址，網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，UDP數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)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(hào)
udp_send_destination_port	in	16	目的端口號(hào)
udp_send_data_length	in	16	UDP發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，用戶(hù)需給出其值
ram_wr_data	in	8	寫(xiě)UDP的RAM數(shù)據(jù)
ram_wr_en	in	1	寫(xiě)RAM使能
udp_ram_data_req	out	1	請(qǐng)求寫(xiě)RAM數(shù)據(jù)
mac_send_end	in	1	MAC發(fā)送結(jié)束信號(hào)
udp_tx_req	in	1	UDP發(fā)送請(qǐng)求
ip_tx_req	out	1	IP發(fā)送請(qǐng)求
ip_tx_ack	in	1	Ip應(yīng)答
udp_data_req	in	1	IP層請(qǐng)求數(shù)據(jù)
udp_tx_ready	out	1	UDP數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
udp_tx_data	out	8	UDP數(shù)據(jù)
udp_tx_end	out	1	UDP發(fā)送結(jié)束（未使用）
almost_full	out	1	Fifo接近滿(mǎn)標(biāo)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(hào)是否為高，在REC_PREAMBLE前導(dǎo)碼狀態(tài)下，接收前導(dǎo)碼。之后進(jìn)入接收MAC頭部狀態(tài)，即目的MAC地址，源MAC地址，類(lèi)型，將它們緩存起來(lái)，并在此狀態(tài)判斷前導(dǎo)碼是否正確，錯(cuò)誤則進(jìn)入REC_ERROR錯(cuò)誤狀態(tài)，在REC_IDENTIFY狀態(tài)判斷類(lèi)型是IP（8’h0800）或ARP(8’h0806)。然后進(jìn)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(guò)程中對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC處理，將結(jié)果與接收到的CRC數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷數(shù)據(jù)是否接收正確，正確則結(jié)束，錯(cuò)誤則進(jìn)入ERROR狀態(tài)。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
crc_result	in	32	CRC32結(jié)果
crcen	out	1	CRC使能信號(hào)
crcre	out	1	CRC復(fù)位信號(hào)
crc_din	out	8	CRC模塊輸入信號(hào)
rx_dv	in	1	從PHY層過(guò)來(lái)的rx_dv信號(hào)
mac_rx_datain	in	8	從PHY層接收的數(shù)據(jù)
checksum_err	in	1	IP層校驗(yàn)和錯(cuò)誤
ip_rx_end	in	1	IP層接收結(jié)束
arp_rx_end	in	1	ARP層接收結(jié)束
ip_rx_req	out	1	請(qǐng)求IP層接收
arp_rx_req	out	1	請(qǐng)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(cuò)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(shí)現(xiàn)ARP數(shù)據(jù)接收，在IDLE狀態(tài)下，接收到從MAC層發(fā)來(lái)的arp_rx_req信號(hào)，進(jìn)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(qǐng)求還是應(yīng)答。如果是請(qǐng)求，則判斷接收到的目的IP地址是否為本機(jī)地址，如果是，發(fā)送應(yīng)答請(qǐng)求信號(hào)arp_reply_req，如果不是，則忽略。如果OP是應(yīng)答，則判斷接收到的目的IP地址及目的MAC地址是否與本機(jī)一致，如果是，則拉高arp_found信號(hào)，表明接收到了對(duì)方的地址。并將對(duì)方的MAC地址及IP地址存入ARP緩存中。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)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(qǐng)求
arp_rx_end	out	1	ARP接收完成
arp_reply_ack	in	1	ARP回復(fù)應(yīng)答
arp_reply_req	out	1	ARP回復(fù)請(qǐng)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(qǐng)求應(yīng)答正確

3) IP層接收模塊

在工程中，ip_rx為IP層接收模塊，實(shí)現(xiàn)IP層的數(shù)據(jù)接收，信息提取，并進(jìn)行校驗(yàn)和檢查。首先在IDLE狀態(tài)下，判斷從MAC層發(fā)過(guò)來(lái)的ip_rx_req信號(hào)，進(jìn)入接收IP首部狀態(tài)，先在REC_HEADER0提取出首部長(zhǎng)度及IP總長(zhǎng)度，進(jìn)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(lèi)型，根據(jù)協(xié)議類(lèi)型發(fā)送udp_rx_req或icmp_rx_req。在接收首部的同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)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(yàn)正確，否則錯(cuò)誤，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，丟棄此幀數(shù)據(jù)，等待下次接收。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)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(qǐng)求信號(hào)
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(qǐng)求信號(hào)
icmp_rx_req	out	1	ICMP接收請(qǐng)求信號(hào)
ip_addr_check_error	out	1	地址檢查錯(cuò)誤信號(hào)
upper_layer_data_length	out	16	上層協(xié)議的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
ip_total_data_length	out	16	數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度
net_protocol	out	8	網(wǎng)絡(luò)協(xié)議號(hào)
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(jié)束
ip_checksum_error	out	1	IP層校驗(yàn)和檢查錯(cuò)誤信號(hào)

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(shí)進(jìn)行UDP校驗(yàn)和檢查，如果UDP數(shù)據(jù)是奇數(shù)個(gè)字節(jié)，在計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)，在最后一個(gè)字節(jié)后加上8’h00，并進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算。校驗(yàn)方法與IP校驗(yàn)和一樣，如果校驗(yàn)正確，將拉高udp_rec_data_valid信號(hào)，表明接收的UDP數(shù)據(jù)有效，否則無(wú)效，等待下次接收。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
udp_rx_data	in	8	UDP接收數(shù)據(jù)
udp_rx_req	in	1	UDP接收請(qǐng)求
mac_rec_error	in	1	MAC層接收錯(cuò)誤
net_protocol	in	8	網(wǎng)絡(luò)協(xié)議號(hào)
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(yàn)和檢查錯(cuò)誤信號(hào)
ip_addr_check_error	in	1	地址檢查錯(cuò)誤信號(hào)
upper_layer_data_length	in	16	上層協(xié)議的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiě)控制模塊

smi_read_write.v文件用于SMI接口的讀寫(xiě)控制，在IDLE狀態(tài)下根據(jù)寫(xiě)請(qǐng)求或讀請(qǐng)求到相應(yīng)的狀態(tài)，再根據(jù)SMI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)MDC和MDIO的控制。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
mdc	out	1	MDC時(shí)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(xiě)請(qǐng)求
write_data	in	16	寫(xiě)數(shù)據(jù)
read_req	in	1	讀請(qǐng)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?qū)懡Y(jié)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(lái)判斷以太網(wǎng)是否已經(jīng)連接和當(dāng)前的以太網(wǎng)速度，默認(rèn)狀態(tài)下，PHY芯片是自動(dòng)協(xié)商速度，根據(jù)對(duì)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(diǎn)亮LED燈，沒(méi)有l(wèi)ink都不亮，10M亮一個(gè)燈，100M亮兩個(gè)燈，1000M亮三個(gè)燈。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
mdc	out	1	MDC時(shí)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(xiě)請(qǐng)求

5.4 10/100/1000M仲裁

由于10/100M傳輸數(shù)據(jù)時(shí)是單邊沿采集數(shù)據(jù)，因此一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，如發(fā)送時(shí)，要將一周其8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成一周期4bit數(shù)據(jù)，因此要設(shè)置數(shù)據(jù)緩存，讀數(shù)據(jù)速率為寫(xiě)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(shí)將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度緩存到len_fifo中，在狀態(tài)機(jī)中判斷長(zhǎng)度FIFO中的數(shù)據(jù)是否大于0，是則表明已經(jīng)緩存了數(shù)據(jù)，之后進(jìn)入讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)，每?jī)蓚€(gè)周期讀一次數(shù)據(jù)，此功能不好理解，最好用signaltap抓取信號(hào)幫助理解。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
eth_10_100m_en	in	1	10/100M使能信號(hào)
link	in	1	Link信號(hào)
gmii_tx_en	in	1	內(nèi)部的gmii發(fā)送使能
gmii_txd	in	8	內(nèi)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(shí)將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度緩存到len_fifo中，在狀態(tài)機(jī)中判斷長(zhǎng)度FIFO中的數(shù)據(jù)是否大于0，是則表明已經(jīng)緩存了數(shù)據(jù)，之后進(jìn)入讀FIFO數(shù)據(jù)狀態(tài)，每?jī)蓚€(gè)周期讀一次數(shù)據(jù)，最好用signaltap抓取信號(hào)幫助理解。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
eth_10_100m_en	in	1	100M使能信號(hào)
eth_10m_en	in	1	10M使能信號(hào)
link	in	1	Link信號(hào)
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(hào)
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(shí)設(shè)定了發(fā)送的間隔都為1S。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
speed	in	2	以太網(wǎng)速度
link	in	1	Link信號(hào)
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(nèi)部的gmii發(fā)送使能
gmii_txd	out	8	內(nèi)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(shè)置為1S
e_rst_n	out	1	復(fù)位MAC信號(hào)
e_rx_dv	out	1	仲裁后接收有效信號(hào)
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(hào)
e_txd	out	8	仲裁后發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)

5.5 其他部分

1）ICMP應(yīng)答

在工程中，icmp_reply.v實(shí)現(xiàn)ping功能，首先接收其他設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的icmp數(shù)據(jù)，判斷類(lèi)型是否是回送請(qǐng)求（ECHO REQUEST），如果是，將數(shù)據(jù)存入RAM，并計(jì)算校驗(yàn)和，判斷校驗(yàn)和是否正確，如果正確則進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
mac_send_end	in	1	Mac發(fā)送結(jié)束信號(hào)
ip_tx_ack	in	1	IP發(fā)送應(yīng)答
icmp_rx_data	in	8	ICMP接收數(shù)據(jù)
icmp_rx_req	in	1	ICMP接收請(qǐng)求
icmp_rev_error	in	1	接收錯(cuò)誤信號(hào)
upper_layer_data_length	in	16	上層協(xié)議長(zhǎng)度
icmp_data_req	in	1	發(fā)送請(qǐng)求ICMP數(shù)據(jù)
icmp_tx_ready	out	1	ICMP發(fā)送準(zhǔn)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(jié)束
icmp_tx_req	out	1	ICMP發(fā)送請(qǐng)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(shè)備IP地址和MAC地址緩存，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，查詢(xún)目的地址是否存在，如果不存在，則向目的地址發(fā)送ARP請(qǐng)求，等待應(yīng)答。在設(shè)計(jì)文件中，只做了一個(gè)緩存空間，如果有需要，可擴(kuò)展。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
arp_found	in	1	ARP接收到回復(fù)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(duì)應(yīng)的MAC地址不存在

3）CRC校驗(yàn)?zāi)K(crc.v)

一個(gè)IP數(shù)據(jù)包的CRC32校驗(yàn)是在目標(biāo)MAC 地址開(kāi)始計(jì)算的，一直計(jì)算到一個(gè)包的最后一個(gè)數(shù)據(jù)為止。以太網(wǎng)的CRC32的verilog的算法和多項(xiàng)式可以在以下網(wǎng)站中直接生成：

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

4）以太網(wǎng)測(cè)試模塊（mac_test.v）

測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制，首先在按下按鍵后發(fā)送ARP請(qǐng)求信號(hào)，直到對(duì)方回應(yīng)，進(jìn)入發(fā)送UDP數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果在WAIT狀態(tài)時(shí)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(méi)有，則發(fā)送ARP請(qǐng)求。

信號(hào)名稱(chēng)	方向	寬度(bit)	說(shuō)明
clk_50m	in	1	系統(tǒng)時(shí)鐘
rst_n	in	1	異步復(fù)位，低電平復(fù)位
pack_total_len	in	32	包長(zhǎng)度
push_button	in	1	按鍵信號(hào)
gmii_tx_clk	in	1	GMII發(fā)送時(shí)鐘
gmii_rx_clk	in	1	GMII接收時(shí)鐘
gmii_rx_dv	in	1	接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)
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(hào)
gmii_txd	out	8	發(fā)送數(shù)據(jù)

5）RGMII轉(zhuǎn)GMII模塊

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

GMII接口

RGMII接口

RGMII接口是GMII接口的簡(jiǎn)化版，在時(shí)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(yàn)

6.1 準(zhǔn)備工作

第一步：首先確認(rèn)一下自己PC的網(wǎng)卡是否是千兆網(wǎng)卡，用戶(hù)可以點(diǎn)擊本地連接查看，再用五類(lèi)+或者六類(lèi)網(wǎng)線連接開(kāi)發(fā)板的網(wǎng)口和PC的網(wǎng)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(shè)置一致，不然網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手會(huì)接收不到開(kāi)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(hù)網(wǎng)絡(luò)通信的調(diào)試，安裝”\07_軟件工具及驅(qū)動(dòng)\網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具\(yùn)wireshark_cn”目錄下的網(wǎng)絡(luò)抓包工具Wireshark, 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候可以用這工具來(lái)查看PC網(wǎng)口發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。

6.2 以太網(wǎng)通信測(cè)試

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

第二步：以管理員權(quán)限打開(kāi)CMD窗口，輸入arp –a查看ARP綁定結(jié)果，可以看到開(kāi)發(fā)板的IP地址和MAC地址已經(jīng)緩存。

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

第四步：打開(kāi)“\07_軟件工具及驅(qū)動(dòng)\網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具\(yùn)NetAssist “目錄下的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手并設(shè)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(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收窗口會(huì)顯示FPGA發(fā)給PC的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包"HELLO ALINX HEIJIN"目標(biāo)主機(jī)的IP地址需要和FPGA程序中的IP地址一致，目標(biāo)端口號(hào)也需要和FPGA程序的一致(8080)。如下圖網(wǎng)絡(luò)顯示：

第五步：再在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的發(fā)送窗口發(fā)送一大串字符,在網(wǎng)絡(luò)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(huì)自動(dòng)補(bǔ)充至46字節(jié)，如下圖：

第六步：這一步對(duì)用戶(hù)來(lái)講是可選的，用戶(hù)如果想查看更多數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男畔?，可以使用網(wǎng)絡(luò)抓包工具Wireshark來(lái)查看PC的網(wǎng)卡接收和發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，打開(kāi)安裝好的wireshark抓包工具，點(diǎn)擊菜單抓包->網(wǎng)絡(luò)接口。

在彈出的抓包接口窗口選擇PC的千兆網(wǎng)卡，按開(kāi)始按鈕開(kāi)始抓包。

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

6.3 以太網(wǎng)速度測(cè)試

我們可以通過(guò)抓包工具wireshark測(cè)量以太網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)發(fā)送的速度，因?yàn)榍д滓蕴W(wǎng)理想模式網(wǎng)絡(luò)的速度可以達(dá)到1Gbps,但實(shí)際因?yàn)槊總€(gè)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(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度最高在950Mbps左右。傳輸是上下對(duì)稱(chēng)傳輸，就是說(shuō)上行和下行都能達(dá)到950Mbps左右。在這里，因?yàn)樽グ黽ireshark只能統(tǒng)計(jì)接收的數(shù)據(jù)包，而不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以這里只是測(cè)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(biāo)的”//”去掉，如下：

第二步：編譯綜合完成后下載測(cè)試程序，下載完成后這時(shí)FPGA網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定，PC機(jī)的IP設(shè)置請(qǐng)參照5.2章節(jié)（如已設(shè)置忽略）。

打開(kāi)wireshark,點(diǎn)擊菜單“抓包”->"抓包參數(shù)選擇”。在抓包選項(xiàng)中設(shè)置緩沖大小為1000megabyte,在10000個(gè)數(shù)據(jù)包之后停止抓包。（這里需要注意：如果不設(shè)置的話wireshark因?yàn)樽サ陌?，處理不了?dǎo)致軟件崩潰）

按開(kāi)始后抓包，等待接收到10000個(gè)包后停止抓包，用時(shí)0.087932秒。

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

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

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

這里提示一下，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣雀L(zhǎng)也有關(guān)系，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)越長(zhǎng)，效率就越高，傳輸數(shù)據(jù)的速度會(huì)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(gè)道理我想大家應(yīng)該明白的吧！

下面是1000000包的時(shí)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(wǎng)100M/1000M測(cè)試

改變電腦的網(wǎng)卡速度，首先打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接，找到本地網(wǎng)卡，右鍵點(diǎn)擊屬性彈出如下窗口，再點(diǎn)擊配置。

在彈出的窗口中找到鏈接速度，選擇100Mbps全雙工，點(diǎn)擊確定，等待幾秒鐘，會(huì)發(fā)現(xiàn)LED燈會(huì)發(fā)生改變，之后再按前面的操作步驟進(jìn)行測(cè)試。

到這里為止，我們的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信就全部結(jié)束了，要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信首先需要理解以太網(wǎng)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(shí)序。千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度非?？欤沂侨p工傳輸，而且UDP通信的數(shù)據(jù)速度可以達(dá)到900Mbps以上，非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，比如視頻圖像傳輸，高速數(shù)據(jù)采集等等。