基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现-电子发烧友网

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

endmodule

下面是用SignalTap抓取到的信号，如下图所示。

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

//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

//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

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

//--------------------------------------------------------------------

//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

//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

//---------------------------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

//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

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

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车载以太网

北汇信息POLELINK
发布于 :2023年09月19日 16:25:21

基于FPGA的UDP RGMII千兆以太网设计

本文总结一下前段时间完成的FPGA以太网通信功能。该方案参考了MILIANKE的设计，但在其基础上简化了某些不必要的步骤以及解决了一些由于忽视细节导致的棘手的问题。

发表于 09-06 17:04 •899次阅读

基于FPGA的UDP RGMII千兆以太网通信方案

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发表于 09-04 16:49 •846次阅读

车载以太网快速入门#车载以太网

车载以太网

北汇信息POLELINK
发布于 :2023年09月01日 17:54:31

基于FPGA的UDP万兆光通信测试

本文开源一个FPGA项目：UDP万兆光通信。该项目实现了万兆光纤以太网数据回环传输功能。Vivado工程代码结构和之前开源的《UDP RGM

发表于 09-01 16:25 •865次阅读

基于FPGA的UDP千兆以太网光通信

本文介绍一个FPGA开源项目：UDP千兆以太网光通信。利用SFP接口，可以通过使用SFP转RJ45模块或者直接使用光纤进行以太网通信。

发表于 08-31 11:26 •2317次阅读

简谈基于FPGA的千兆以太网设计

大侠带来简谈基于FPGA的千兆以太网设计，话不多说，上货。今天我们来简单的聊一聊以太网，以太网在FPGA

发表于 06-01 18:39