FPGA纯vhdl实现XGMII接口10G万兆网UDP协议配合10G Ethernet PCS/PMA使用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；

本设计使用纯VHDL代码实现的UDP协议栈实现UDP通信的MAC层设计，调用Xilinx官方的10G Ethernet Subsystem 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，轻松实现时下热门的10G万兆网通信；进行10G UDP数据回环测试；本例程使用的10G UDP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；本设计通过数据的回环收发，在电脑端使用网络调试助手进行UDP收发验证；

本设计链接1路SFP光口，配置为UDP服务器，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

本 10G-UDP 协议栈功能和性能描述

1：为了更加收敛的时序和更加严谨的逻辑，代码采用纯VHDL语言编写；
2：由于使用了 xpm_fifo_sync 源语，目前只能在Xilinx平台使用；若需在Altera、国产FPGA等平台移植，将xpm_fifo_sync源语替换为所在平台的 fifo 源语或者 fifo ip 即可；
3：基于 UDP 协议的通信协议，全带宽高达 10 Gbps 的速度，且经过反复测试不丢失数据包；
4：UDP 数据包缓冲 fifo 深度可调，也就是说在满足 UDP 数据包最大边界的情况下可自由配置 UDP 数据包大小；
5：基于 IPv4，IP广播，不支持碎片整理；不支持 IPv6；
6：静态ARP，不带ping功能；
7：XGMII 接口，156.25 MHz 时钟 64bit 数据位宽；可与 Xilinx 的 10G Ethernet 连接使用；

本 10G-UDP 协议栈设计框图

10G-UDP协议栈由接收和发送两大功能模块组成，模块具体框图如下：
在这里插入图片描述
顶层文件拖入vivado的Block Design后以IP的形式更加直观的体现10G-UDP协议栈的接口关系，如下：

用户发送AXIS接口描述

时钟、复位和HOST-SETTINGS接口为固定接口，其余都是独立接口，其中接收和发送的用户接口为自定义具有握手机制的接口，与MAC层的数据接口为XGMII接口；
HOST-SETTINGS接口主要配置主从机的IP地址、MAC地址、子网掩码等，这些配置信息将传递到UDP的接收和发送通路逻辑中去；
用户发送接口功能描述如下：
在这里插入图片描述
根据上表可知，用户数据在TX_FRAME_VALID和TX_FRAME_RDY都为高时被采集，也就是前面说的握手机制，TX_FRAME_LAST表示一帧数据的结束，TX_FRAME_BE[7:0]表示8个字节数据的使能，TX_FRAME_DATA[63:0]是发送的数据，这个接口其实就是去掉了TUSER的AXIS接口，这里的数据是以帧的形式传输的，那么一帧数据到底包括多少个TX_FRAME_DATA[63:0]呢？帧数据大小的设置是通过参数设置的，如下：
在这里插入图片描述
这些参数的具体释义如下：

对于FPGA开发者而言，最关注的莫非于用户接口的时序，某种意义而言，看懂了用户时序，或者给出了用户时序图，我们就可以写出对接的时序，就能设计我们想要的功能，对于发送端的时序而言主要由两个，一个是数据发送前的UDP/IP的基本参数的输入，HOST-SETTINGS接口主要配置主从机的IP地址、MAC地址、子网掩码等，才发送时序下的载入如下：
在这里插入图片描述
可以看到，第1个时钟到第4个时钟之间虽然IP、MAC等参数虽已载入总线，但TX_FRAME_VALID和TX_FRAME_RDY并未握手成功，所以为无效数据，在第5个时钟被采集；
数据传输时的用户发送时序如下：

用户接收AXIS接口描述

时钟、复位和HOST-SETTINGS接口为固定接口，其余都是独立接口，其中接收和发送的用户接口为自定义具有握手机制的接口，与MAC层的数据接口为XGMII接口；
HOST-SETTINGS接口主要配置主从机的IP地址、MAC地址、子网掩码等，这些配置信息将传递到UDP的接收和发送通路逻辑中去；
用户接收接口和发送接口差不多，所以不再详细描述，参考前面的发送部分描述即可，这里只给出时序图；
用户接收接口功能描述如下：
在这里插入图片描述

控制接口描述

本 10G UDP 协议栈留有控制接口，可以通过控制接口控制不同的速率，此外，还可以配置如下：
在这里插入图片描述
HOST-SETTINGS接口主要配置主从机的IP地址、MAC地址、子网掩码等，这些配置信息将传递到UDP的接收和发送通路逻辑中去，如下：

XGMII接口描述

XGMII接口很简单，和10G Ethernet IP的XGMII接口对接，如下：
在这里插入图片描述

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx--xc7k325tffg676-2；
开发环境：vivado2019.1；
输入/输出：SFP光口；
网卡速度：10G；
测试项：UDP数据回环；

工程整体架构、模块架构、硬件连接如下：
在这里插入图片描述
10G-UDP协议栈工程以10G-UDP协议栈为核心，调用Xilinx官方的10G Ethernet PCS/PMA IP核，在无需网络变压器芯片的情况下，利用Xilinx的GTX资源实现了物理层的PCS和PMA功能，最后通过SFP光口收发UDP数据，SFP接头的光纤线缆连接10G网卡，网卡通过PCIe插在电脑主机的主板上，电脑端打开网络调试助手实现和FPGA的网络数据UDP包的收发，FPGA端的10G-UDP协议栈将收发回环起来，这样就形成了UDP数据的回环收发；
对应的，vivado工程的Block Design如下：
在这里插入图片描述

10G-UDP协议栈

将 10G-UDP 协议栈的用于TX和用户RX接口对接起来形成回环，同时设置FIFO深度和RAM类型，还需设置主机IP地址、MAC地址、子网掩码等信息，系统上电后，10G-UDP协议栈将自动实现数据的回环收发；10G-UDP协议栈配置如下：
1：设置链路速率为 10Gbps：
在这里插入图片描述
2：设置评估板 MAC 地址为 00-23-20-21-22-23，IP 地址为 192.168.0.25，子网掩码为255.255.254.0；

10G Ethernet PCS/PMA IP核

本案例使用 10G Ethernet PCS/PMA IP 核实现物理层（PCS 与 PMA）功能；10G Ethernet PCS/PMA IP 核开发文档为Xilinx 官方参考文档《pg068-ten-gig-eth-pcs-pma》，具体配置说明如下：
1：选中"Additional transceiver control and status ports"，新增并设置 TX Pre-Cursor、TX Post-Cursor 和 TX Diff Swing 选项值，以提高 GTX 信号传输质量。其中 tx_pre_cursor设置为 0x15、tx_pre_cursor 设置为 0xA、tx_diff_swing 设置为 0x9；
在这里插入图片描述

2：勾选 Shared Logic 的"Include Shared Logic in core"，配置 10G Ethernet PCS/PMA IP核包含共享逻辑；

工程代码架构如下：

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

本实验需要用户自己准备 10G 网卡，插到电脑主板上。下图为我在某鱼上买的二手货。。。
在这里插入图片描述
连接方式如下：

开发板侧SFP连接如下：

FPGA开发板 IP 地址已通过10G-UDP协议栈模块配置为 192.168.0.25。请设置 PC 机 IP 地址与FPGA开发板 IP 地址处于同一网段。此处将 PC 机 IP 地址设置为 192.168.0.88，子网掩码设为255.255.254.0；
在这里插入图片描述
请下载bit运行程序，此时 PC 机将会识别网络连接状态为 10Gbps；

由于10G-UDP协议栈模块不支持动态ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议，因此需通过添加FPGA开发板 IP 地址和 MAC 地址的静态映射关系。请以管理员身份打开 Windows PowerShell或者CMD，并执行如下命令；
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双击打开网络调试工具 SocketTool_NoAD.exe，在弹出的界面中点击“UDP Client -> 创建”，在“对方 IP”中输入FPGA开发板 IP 地址，再点击确定；网络调试工具 SocketTool_NoAD.exe已放在资料包中，你们也可以使用其他的网络调试工具；
在这里插入图片描述
在“数据发送窗口”中输入需发送至评估板的数据，再点击“发送数据”。“数据接收及提示窗口”中将打印由 PC 机发送至FPGA开发板，以及由评估板发送至 PC 机的数据；