基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现
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0xd52.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; endend
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0x0002③判断pc端ip地址是否是192.168.0.3④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 = 0x20b320x0002+0x0b32 = 0x0b34checksum = ~(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1assign 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_sum2assign ip_check_sum2 = ip_check_sum1[19:16] + ip_check_sum1[15:0];//width<=17assign ip_check_sum = ~(ip_check_sum2[19:16] + ip_check_sum2[15:0]);//width<=16
//trig_udp_sendalways @(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; endend
//flag_udp_sendalways @(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; endend
//udp_byte_cntalways @(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; endend
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_rdreqalways @(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; endend
//--------------------------------------------------------------------//gmii_tx_enalways @(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; endend
//gmii_tx_dataalways @(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; endend
//---------------------------crc-----------------------------------//crc_initalways @(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; endend
//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; endendendmodule
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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原文标题：基于fpga的千兆以太网arp和udp的实现
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1.前导码和帧开始符是固定的，为7个0x55紧跟着1个0xd52.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; endend
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0x0002③判断pc端ip地址是否是192.168.0.3④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 = 0x20b320x0002+0x0b32 = 0x0b34checksum = ~(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1assign 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_sum2assign ip_check_sum2 = ip_check_sum1[19:16] + ip_check_sum1[15:0];//width<=17assign ip_check_sum = ~(ip_check_sum2[19:16] + ip_check_sum2[15:0]);//width<=16
//trig_udp_sendalways @(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; endend
//flag_udp_sendalways @(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; endend
//udp_byte_cntalways @(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; endend
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_rdreqalways @(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; endend
//--------------------------------------------------------------------//gmii_tx_enalways @(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; endend
//gmii_tx_dataalways @(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; endend
//---------------------------crc-----------------------------------//crc_initalways @(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; endend
//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; endendendmodule
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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原文标题：基于fpga的千兆以太网arp和udp的实现
文章出处：【微信公众号：fpga设计论坛】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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