基于FPGA的以太网TCP/IP协议实现过程记录

Posted 2022-02-02 皇甫春云

基于FPGA的以太网的 TCP/IP 协议的学习笔记

一、完整的以太网数据部分包括以下几部分：

1. 前导码
2. 帧起始界定符
3. 以太网帧头
4. IP首部
5. UDP首部
6. UDP数据（有效数据）
7. CRC校验字节

二、针对每一部分的格式如下：

MAC数据包格式：

MAC 数据包 IEEE 对以太网上传输的数据包格式也进行了统一规定，

• 前导码：7 个字节的 0x55，用示波器看起来是一段脉冲信号。
• 帧起始界定符：1字节的0xD5。
• 目的MAC地址：数据的最终去向的地址，俗称网卡的物理地址，出厂时已经设置完毕，共6字节。
• 源MAC地址：数据的来源设备的物理地址，占用6个字节。
• 数据包类型：反映以太网每一包数据的格式，是属于OSI层级中的链路层，
  写入0800 则是 IP协议
  写入0806 则是 ARP协议
  写入0835 则是 RARP协议

note：以太网首部包括 目的MAC地址 + 源MAC地址 +数据包类型

IP首部

首部长度（4 bit）：最小值为5，最大值为15，以4Byte为单位，故长度可以是 20Byte ~ 60Byte。

总长度（16 bit）：该字段定义整个IP数据报的字节长度，包括协议头部和数据。其最大值为65535字节。以太网协议对能够封装在一个帧中的数据有最小值和最大值的限制（46~1500个字节）。

UDP首部

UDP校验和

三、 注意事项：

1. IP数据包的长度最少是46字节，包括20个字节的IP和8字节的UDP的首部。
2. CRC校验是对IP首部，UDP首部和有效数据校验。
3. UDP模块的执行过程是，将有效数据提取出来后，在重新打包发出去，即完成了解码和编码的过程。
4. UDP的长度是指包括有效数据部分和整个UDP首部8字节的总长度。

四、实现 MAC 和 PHY 的通信

RGMII接口的定义：

UDP模块的引脚：

当前是完成了UDP的两个模块的接收和发送程序，还需要完成接口转换模块的程序阅读和校验模块的阅读。但是此刻已经完成了核心代码的阅读了。

• UDP_TX
• UDP_RX
• CRC32_D8
• GMII_TO_RGMII

根据当前的阅读情况，可以进行以下两个任务的完成，分别是完成拓展任务，即将GMII的输出改为RMII的输出。为了方便任务的开展，可以按照以下步骤完成：

1. 对现在的代码进行仿真分析，确定各个部分的仿真结果和自己的分析过程，没有出入。
2. 按照教程，真实的下载到板子上，进行实际的测试，保障功能的正常。
3. 完成拓展任务，即修改通信接口由GMII为RGMII类型。
4. 根据项目的数据采集部分程序，修改UDP模块，实现启动采集和数据的转发。

五、 参考资料

1. 踏浪Pro《FPGA Verilog开发实战指南——基于Xilinx Spartan6》进阶提高篇2021.7.10
2. 黑金的 AX7101~千兆以太网传输实验