FPGA纯verilog实现UDP通信，三速网自协商仲裁，动态ARP和Ping功能，提供工程源码和技术支持

1、前言

目前网上的fpga实现udp基本生态如下：
1：verilog编写的udp收发器，但不带ping功能，这样的代码功能正常也能用，但不带ping功能基本就是废物，在实际项目中不会用这样的代码，试想，多机互联，出现了问题，你的网卡都不带ping功能，连基本的问题排查机制都不具备，这样的代码谁敢用？
2：带ping功能的udp收发器，代码优秀也好用，但基本不开源，不会提供源码给你，这样的代码也有不足，那就是出了问题不知道怎么排查，毕竟你没有源码，无可奈何；
3：使用了Xilinx的三速网IP实现，这样的代码也很优秀，但还是那个问题，没有源码，且三速网IP需要licence，官方提供的licence有效期只有120天，其实三速网IP仅仅实现了rgmii到gmii再到axis的转换，完全可以不用这个ip；
本设计使用Micrel公司的KSZ9031RNX作为网络PHY芯片，使用verilog代码设计UDP协议，并带有用户接口，使得用户无需关心复杂的UDP协议而只需关心简单的用户接口时序即可操作UDP收发，非常简单，通过一个fifo实现UDP数据的回环收发，并在电脑端使用网络调试助手进行UDP收发验证，在文章末尾有演示效果展示。

2、我这里已有的UDP方案

目前我这里有如下几种UDP方案和应用实例：
1、FPGA实现精简版UDP通信，数据回环例程，提供了Kintex7和Artix7的2套工程，实现了UDP数据回环测试，精简版UDP有ARP，没有ping功能，但资源占用很少，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
2、FPGA实现极简版UDP板间视频传输，根据精简版UDP修改而来，去掉了其中的ARP部分，使用网线在两块FPGA开发板之间传输OV5640摄像头视频，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
3、使用Xilinx官方的三速网IP实现UDP通信，缺点是需要调用XIlinx的三速网IP，且需要去官网申请licence，优点是数据传输快、传输数据量大，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
3、使用Xilinx官方的三速网IP实现UDP视频传输，网线传输采集的OV5640摄像头视频，在电脑端使用QT上位机接收图像并显示，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
4、使用Xilinx官方的三速网IP实现UDP视频传输，网线传输采集的SDI视频，在电脑端使用QT上位机接收图像并显示，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
5、纯verilog代码实现UDP通信，带ARP和ping功能，提供了Xilinx Kintex7系列FPGA的数据回环例程，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看
6、纯verilog代码实现UDP通信，带ARP和ping功能，提供了Xilinx Artix7系列FPGA的2套数据回环例程，感兴趣的可以参考我之前的文章：点击查看

3、UDP详细设计方案

本实验以千兆以太网 RGMII 通信为例来设计 verilog 程序，会先发送预设的 UDP 数据到网络，每秒钟发送一次，如果 FPGA 检测网口发来的 UDP 的数据包，会把接收到的数据包存储在 FPGA内部的 RAM 中，再不断的把 RAM 中的数据包通过网口发回到 ethernet 网络。程序分为两部分，分别为发送和接收，实现了 动态ARP，UDP，Ping 和10/100/1000M网速自动协商仲裁功能。以下为原理实现框图：

MAC层发送

发送部分中， mac_tx.v 为 MAC 层发送模块，首先在 SEND_START 状态，等待 mac_tx_ready
信号，如果有效，表明 IP 或 ARP 的数据已经准备好，可以开始发送。再进入发送前导码状态，结
束时发送 mac_data_req，请求 IP 或 ARP 的数据，之后进入发送数据状态，最后进入发送 CRC 状
态。在发送数据过程中，需要同时进行 CRC 校验。
MAC层发送顶层接口如下：

MAC发送模式

工程中的 mac_tx_mode.v 为发送模式选择，根据发送模式是 IP 或 ARP 选择相应的信号与数据。
MAC发送模式顶层接口如下：

ARP发送

发送部分中，arp_tx.v 为 ARP 发送模块， 在 IDLE 状态下，等待 ARP 发送请求或 ARP 应答请求
信号，之后进入请求或应答等待状态，并通知 MAC 层，数据已经准备好，等待 mac_data_req 信
号，之后进入请求或应答数据发送状态。由于数据不足 46 字节，需要补全 46 字节发送。
ARP发送顶层接口如下：

IP层发送

在发送部分，ip_tx.v 为 IP 层发送模块，在 IDLE 状态下，如果 ip_tx_req 有效，也就是 UDP 或
ICMP 发送请求信号，进入等待发送数据长度状态，之后进入产生校验和状态，校验和是将 IP 首部所有数据以 16 位相加，最后将进位再与低 16 位相加，直到进入为 0，再将低 16 位取反，得出校验和结果。此程序中校验和以树型加法结构，并插入流水线，能有效降低加法部分的延迟，但缺点是会消耗较多逻辑资源。如下图 ABCD 四个输入，A 与 B 相加，结果为 E，C 与 D 相加，结果为 F，再将 E 与 F 相加，结果为 G，在每个相加结果之后都有寄存器。
设计框图如下：

在生成校验和之后，等待 MAC 层数据请求，开始发送数据，并在即将结束发送 IP 首部后请求 UDP 或 ICMP 数据。等发送完，进入 IDLE 状态。
IP层发送顶层接口如下：

IP发送模式

工程中的 ip_tx_mode.v 为发送模式选择，根据发送模式是 UDP 或 ICMP 选择相应的信号与数据。
IP发送模式顶层接口如下：

UDP发送

发送部分中，udp_tx.v 为 UDP 发送模块，第一步将数据写入 UDP 发送 RAM，同时计算校验和，第二步将 RAM 中数据发送出去。UDP 校验和与 IP 校验和计算方法一致。在计算时需要将伪首部加上，伪首部包括目的 IP 地址，源 IP 地址，网络类型，UDP 数据长度。
UDP发送顶层接口如下：

MAC层接收

在接收部分，其中 mac_rx.v 为 mac 层接收文件，首先在 IDLE 状态下需要判断 rx_dv 信号是否为高，在 REC_PREAMBLE 前导码状态下，接收前导码。之后进入接收 MAC 头部状态，即目的MAC 地址，源 MAC 地址，类型，将它们缓存起来，并在此状态判断前导码是否正确，错误则进入 REC_ERROR 错误状态，在 REC_IDENTIFY 状态判断类型是 IP（8’h0800）或 ARP(8’h0806)。然后进入接收数据状态，将数据传送到 IP 或 ARP 模块，等待 IP 或 ARP 数据接收完毕，再接收 CRC 数据。并在接收数据的过程中对接收的数据进行 CRC 处理，将结果与接收到的 CRC 数据进行对比，判断数据是否接收正确，正确则结束，错误则进入 ERROR 状态。
MAC层接收顶层接口如下：

ARP接收

工程中的 arp_rx.v 为 ARP 接收模块，实现 ARP 数据接收，在 IDLE 状态下，接收到从 MAC 层发来的 arp_rx_req 信号，进入 ARP 接收状态，在此状态下，提取出目的 MAC 地址，源 MAC 地址，
目的 IP 地址，源 IP 地址，并判断操作码 OP 是请求还是应答。如果是请求，则判断接收到的目的
IP 地址是否为本机地址，如果是，发送应答请求信号 arp_reply_req，如果不是，则忽略。如果 OP
是应答，则判断接收到的目的 IP 地址及目的 MAC 地址是否与本机一致，如果是，则拉高arp_found 信号，表明接收到了对方的地址。并将对方的 MAC 地址及 IP 地址存入 ARP 缓存中。
ARP接收顶层接口如下：

IP层接收

在工程中，ip_rx 为 IP 层接收模块，实现 IP 层的数据接收，信息提取，并进行校验和检查。
首先在 IDLE 状态下，判断从 MAC 层发过来的 ip_rx_req 信号，进入接收 IP 首部状态，先在
REC_HEADER0 提取出首部长度及 IP 总长度，进入 REC_HEADER1 状态，在此状态提取出目的 IP 地址，源 IP 地址，协议类型，根据协议类型发送 udp_rx_req 或 icmp_rx_req。在接收首部的同时进行校验和的检查，将首部接收的所有数据相加，存入 32 位寄存器，再将高 16 位与低 16 位相加，直到高 16 位为 0 ，再将低 16 位取反，判断其是否为 0，如果是 0，则检验正确，否则错误，进入IDLE 状态，丢弃此帧数据，等待下次接收。
IP层接收顶层接口如下：

UDP接收

在工程中，udp_rx.v 为 UDP 接收模块，在此模块首先接收 UDP 首部，再接收数据部分，并将数据部分存入 RAM 中，在接收的同时进行 UDP 校验和检查，如果 UDP 数据是奇数个字节，在计算校验和时，在最后一个字节后加上 8’h00，并进行校验和计算。校验方法与 IP 校验和一样，如果校验正确，将拉高 udp_rec_data_valid 信号，表明接收的 UDP 数据有效，否则无效，等待下次接收。
UDP接收顶层接口如下：

SMI读写控制

smi_read_write.v 文件用于 SMI 接口的读写控制，在 IDLE 状态下根据写请求或读请求到相应的状态，再根据 SMI 时序实现 MDC 和 MDIO 的控制,一般情况下网络PHY不需要配置，在原理图设计时进行匹配电阻上下拉即可实现phy正常工作，一般会让其工作在延时模式，但本设计为了实现10/100/1000M网速的自适应和仲裁，需要读取phy当前和连接网卡的速度，所以设计了MDIO的模块，另外，读者也可以借机学习一下MDIO的知识。
SMI读写控制顶层接口如下：

SMI配置

smi_config.v 文件读取寄存器 0x11 的 bit10 和 bit[15:14]来判断以太网是否已经连接和当前的以太网速度，默认状态下，PHY 芯片是自动协商速度，根据对方的速度做匹配。bit 10 为 1 则 link成功，否则失败，bit[15:14]为 00 则是 10M，01 为 100M，10 或 11 为 1000M，根据不同的速度点亮 LED 灯，没有 link 都不亮，10M 亮一个灯，100M 亮两个灯，1000M 亮三个灯。
SMI配置顶层接口如下：

10/100/1000M仲裁

由于 10/100M 传输数据时是单边沿采集数据，因此一个周期传输 4bit 数据，而 RGMII 为双边沿采集数据，所以要进行数据的转换，如发送时，要将一周其 8bit 数据转成一周期 4bit 数据，因此要设置数据缓存，读数据速率为写数据的一半。
参考了其他友商的自协商方案，居然还有设置三种时钟的方案，本人直言太LOW。。。
设置一个TX buffer：
gmii_tx_buffer.v 将要发送的 8bit 缓存到 eth_data_fifo 中，同时将数据长度缓存到 len_fifo 中，在状态机中判断长度 FIFO 中的数据是否大于 0，是则表明已经缓存了数据，之后进入读 FIFO 数据状态，每两个周期读一次数据，此功能不好理解，最好用 signaltap 抓取信号帮助理解。
设置一个RX buffer：
gmii_rx_buffer.v 将接收的 10/100M 数据缓存到 eth_data_fifo 中，同时将数据长度缓存到len_fifo 中，在状态机中判断长度 FIFO 中的数据是否大于 0，是则表明已经缓存了数据，之后进入读 FIFO 数据状态，每两个周期读一次数据，最好用 signaltap 抓取信号帮助理解。
仲裁：gmii_arbi.v 用于三种速度的仲裁，同时设定了发送的间隔都为 1S。
10/100/1000M仲裁顶层接口如下：

ICMP应答 (ping)

在工程中，icmp_reply.v 实现 ping 功能，首先接收其他设备发过来的 icmp 数据，判断类型是否是回送请求（ECHO REQUEST），如果是，将数据存入 RAM，并计算校验和，判断校验和是否正确，如果正确则进入发送状态，将数据发送出去。
ICMP应答 (ping)顶层接口如下：

ARP缓存

在工程中，arp_cache.v 为 arp 缓存模块，将接收到的其他设备 IP 地址和 MAC 地址缓存，在发送数据之前，查询目的地址是否存在，如果不存在，则向目的地址发送 ARP 请求，等待应答。在设计文件中，只做了一个缓存空间，如果有需要，可扩展。
ARP缓存顶层接口如下：

CRC校验

一个 IP 数据包的 CRC32 校验是在目标 MAC 地址开始计算的，一直计算到一个包的最后一个数据为止。以太网的 CRC32 的 verilog 的算法和多项式可以在以下网站中直接生成：
http://www.easics.com/webtool...

以太网测试模块

mac_test.v。测试模块实现数据流的控制，首先在按下按键后发送 ARP 请求信号，直到对方回应，进入发送 UDP 数据状态，如果在 WAIT 状态时发现 UDP 接收数据有效，则将接收的数据发送出去。循环1 秒发送，在每次发送前需要检查目的 IP 地址是否能在 ARP 缓存里找到，如果没有，则发送 ARP请求。
以太网测试模块顶层接口如下：

此模块设置了网卡连接成功后自动向外发送的测试字符串，代码位置如下，可自由修改字符串内容，比如改为爱你女朋与的名字。。。

RGMII转GMII模块

util_gmii_to_rgmii.v 文件是将 RGMII 与 GMII 转换，提取出控制信号与数据信号。与 PHY 连接是 RGMII 接口。
RGMII 接口是 GMII 接口的简化版，在时钟的上升沿及下降沿都采样数据，上升沿发送
TXD[3:0]/RXD[3:0]，下降沿发送 TXD[7:4]/RXD[7:4]，TX_EN 传送 TX_EN（上升沿）和 TX_ER（下降沿）两种信息，RX_DV 传送 RX_DV（上升沿）和 RX_ER（下降沿）两种信息。
RGMII转GMII模块设计框图如下：

4、vivado工程详解

工程介绍：
开发板：Xilinx Artix7开发板；
开发环境：vivado2019.1；
网络PHY：KSZ9031；
输入输出：UDP环出；
工程代码架构如下：

FPGA资源消耗和功耗预估如下：

5、上板调试验证并演示

板子上电下载bit后，先测试ping功能，如下：

单次ping还不够，直接上连续ping，如下：

然后是用网络调试助手进行数据收发测试，网卡连接成功后网络调试助手会收到FPGA发来的测试字符串，1s发一次，如下：

然后发送大批量数据进行测试，测试结果如下：

三速网自协商仲裁测试：
将电脑网卡速度改为100M，如下步骤：

鼠标右击以太网点击属性，然后点图中的配置；

然后关闭网络调试助手后重新打开，再发字符串测试，如下：

可以看到改为100M后FPGA依然能与电脑网卡通信，说明FPGA设计的网卡具有三速网自协商功能，还可以把电脑网卡改为10M测试，不过10M基本在项目中无用，所以并未测试，才跑10M，我用UDP干啥，哈哈。。。

6、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以百度网盘链接方式发送，
通过微信获取资料：

网盘资料如下：