FPGA纯verilog实现10G UDP协议栈，XGMII接口UltraScale GTY驱动，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，但中间的FIFO或者RAM等调用了IP，或者不带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；
5：真正意义上的verilog实现的UDP协议栈，真正意义上的verilog实现意思是UDP协议栈全部代码均使用verilog代码，不适用任何IP核，包括FIFO、RAM等，这样的UDP协议栈移植性很强，这样的协议栈在市面上也很少，几乎很难得到，而很设计就是这样的协议栈，呵呵。。。

本设计使用纯verilog实现的UDP协议栈实现UDP回环通信测试，Xilinx Kintex UltraScale+ XCKU3P调用UltraScale FPGAs Transceivers Wizard GTY资源实现XGMII的MAC功能,纯verilog代码实现XGMII接口与GTY对接，最后UDP数据通过SFP光口实现数据收发；UDP协议栈与MAC的交互接口为XGMII，速率为10G，UDP协议栈的用户接口为XGMII，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，将SFP光纤收发两端对接，即可完成自发自收的功能，并在电脑端使用网络调试助手进行UDP收发验证；

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

目前我这里有大量UDP协议的工程源码，包括UDP数据回环，视频传输，AD采集传输等，也有TCP协议的工程，对网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往

3、该UDP协议栈性能

1：纯verilog实现，没有用到任何一个IP核；
2：移植性天花板，该协议栈可在Xilinx、Altera等各大FPGA型号之间任意移植，因为是没有任何IP，源语也有参数可选择；
3：适应性强，利用GTY资源的SFP接口实现UDP协议的以太网通信；
4：时序收敛很到位；
5：动态ARP功能；
6：不带ping功能；
7：与MAC的接口为XGMII，市面上的RGMII、GMII、SGMII接口代码很多，XGMII相对较少；
8：最高支持10G速率；

4、详细设计方案

详细设计方案如下：
在这里插入图片描述

SFP

本设计无需外挂网络PHY，而是调用Xilinx的UltraScale FPGAs Transceivers Wizard GTY IP核实现了网络PHY的功能，GTY配置为SGMII接口，所以外部接口为SFP光口，并将SFP的RX核TX对接实现数据回环；

SGMII收发接口模块

SGMII收发接口模块存在于两个地方，一个是与GTY对接的地方，称之为PHY侧SGMII接口，另一个是与UDP协议栈对接的地方，称之为UDP侧SGMII接口，数据在PHY与UDP协议栈之间通过这两个接口实现对接；
PHY侧SGMII接口代码架构如下：
在这里插入图片描述
可以看到，模块由纯verilog代码实现，不含任何IP核；
同理，UDP侧SGMII接口代码架构如下：

可以看到，模块同样由纯verilog代码实现，不含任何IP核，不同点在于模块的另一侧是AXIS接口，与UDP协议栈连接；两者共同点在于外部接口都是XGMII，位宽均为64位；

AXIS FIFO

由于使用到了AXIS 数据流，必然需要AXIS FIFO作为哥哥模块的桥接，一般的设计直接调用AXIS FIFO IP核，但本设计为了通用性和移植性，采用纯verilog代码实现，代码中的位置如下：
在这里插入图片描述

UDP协议栈

UDP协议栈采用纯verilog代码实现，代码架构如下：
在这里插入图片描述
协议栈由ARP、IP层、UDP层、AXIS FIFO几个模块组成，全部使用纯verilog代码实现，ARP层实现动态ARP功能，IP层、UDP层实现MAC数据帧的IP层和UDP层的数据解包和组包，这是UDP协议的核心操作，其本身并不复杂，就是根据UDP协议进行对应的数据解析和数据组包即可，使用几个状态机的事儿，很假单，这里就不细说了，AXIS FIFO的作用是将复杂的UDP协议封装为AXIS数据流格式作为用户接口供开发者使用，开发者甚至都不需要去理解里面的协议，就当它是一个AXIS的FIFO用就行了；

UltraScale FPGAs Transceivers Wizard GTY

本设计无需外挂网络PHY，而是调用UltraScale FPGAs Transceivers Wizard GTY IP核实现了网络PHY的功能，IP配置：
在这里插入图片描述

5、vivado工程

开发板：Xilinx-->KU+系列-->xcku3p-ffvb676-2-e；
开发环境：Vivado2022.2；
MAC：1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII；
输入\输出：UDP 网络通信；
测试项：数据收发；
工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
FPGA资源消耗和功耗预估如下；