FPGA基于SFP光口实现1G千兆网UDP通信 1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII替代网络PHY芯片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Tri Mode Ethernet MAC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，三速网IP实现了rgmii到gmii再到axis的转换；
4：使用FPGA的GTX资源利用SFP光口实现UDP，通信，这种方案不需要外接网络变压器即可完成，本方案就是此种设计；

本设计调用Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC三速网IP，使用米联客的UDP协议栈实现UDP通信的MAC层设计，调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核实现了网络变压器的功能，从而实现无需外挂网络芯片即可实现UDP通信的方案；米联客的UDP该协议栈目前并不开源，只提供网表文件，但不影响使用，该协议栈带有用户接口，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；本设计通过一个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；

本设计链接2路SFP光口，一路配置为UDP服务器，另一路配置为客户端；本设计经过反复大量测试稳定可靠，可在项目中直接移植使用，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字通信领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

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：
我的博客主页有个FPGA以太网通信专栏，专栏是免费的，里面有很多FPGA实现的UDP应用，既有常规千兆网也有万兆网方案，对网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往

3、详细设计方案

在讲述设计方案之前，我们先来看看FPGA实现UDP通信方案应具备什么条件，大体如下：
在这里插入图片描述
1：用户逻辑:
开发者需要收发的实际数据，可以以多种形势存在，比如自定义格式、AXIS数据流格式等等，用户逻辑的接口时序必须与MAC层的接口时序一致；
2：MAC层
主要由UDP、IP、ARP、ICMP等具体的协议逻辑组成，实现网络数据的组包与拆包，相当于做了软件里Sockte做的事儿，Sockte依赖CPU做网络数据包，而这里的MAC层直接使用硬件资源做网络数据包，解放了网络数据包对CPU的奴役，在当今时髦儿的RDMA中得以完美体现。。。本设计的MAC层采用米联客的UDP协议栈，关于这部分，请参考我之前写的文章
3：网络变压器
主要由PCS/PMA组成，PCS主要实现并行数据的编解码，比如经典的8b/10编解码，PMA主要实现并串/串并转换，输出接口是高速差分信号，可直接与SFP或者RG45网口连接；
4：RJ45网口：俗称水晶头，插网线的。。。
5：远端节点
本FPGA开发板可以理解为一个网卡，远端节点就是与之连接的另一个网卡；

本设计与上述传统的FPGA实现UDP方案不同的是网络变压器部分，前面的网络变压器是真实的网络PHY芯片，比如我常用到的RTL8211、B50610、88E1518等等；本设计没有用到网络变压器，而是调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核实现了网络变压器的功能，通过SFP光口输出实现与远端节点的连接，设计框图如下：
在这里插入图片描述
本设计在电脑端使用网络调试助手和开发板通信，实现UDP数据环回试验，本设计没有使用外接网络变压器，而是调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核，利用SFP光口输出的形式完成。

这里重点讲一讲Xilinx官方的Tri Mode Ethernet MAC和1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核；
Tri Mode Ethernet MAC主要是为了适配1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，因为后者的输入接口是GMII，而Tri Mode Ethernet MAC的输入接口是AXIS，输出接口是GMII，Tri Mode Ethernet MAC的核心配置如下：
在这里插入图片描述
1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII配置如下：

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx xc7a35tfgg484-2；
开发环境：vivado2020.2；
输入/输出：SFP光口；
测试项：UDP数据回环，ping等；
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综合编译后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

5、上板调试验证并演示

需要买一个SFP转RJ45的模块插入SFP光口，然后用网线连接开发板和电脑，如下：
在这里插入图片描述
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，如下：

既有手动收发测试，也有循环12小时的长时间收发测试，测试结果没有出现丢包的情况。。。
测速如下：
在这里插入图片描述
在电脑上观察开发板以太网网口的发送速率，这个测速只代表可能的最高的速度，不代表电脑真实的不丢包速度，UDP 的点到点不丢包速度和电脑的网卡、CPU 速度、内存速度、操作系统都有关系。。。