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千兆以太网实验 [2019/12/17 18:30] zgf |
千兆以太网实验 [2022/03/18 15:49] (当前版本) sean |
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- | ***电话:0379-69926675** | + | | V1.0 | 2019-12-25 | gingko | 初次建立 | |
- | ***更新日期:12/17/2019** | + | |
- | ***版本号:v1.0** | + | |
- | ***更新说明:无** | + | |
===== 实验三十二:千兆以太网传输 ===== | ===== 实验三十二:千兆以太网传输 ===== | ||
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-掌握GMII接口千兆以太网的UDP协议通信模块设计。 | -掌握GMII接口千兆以太网的UDP协议通信模块设计。 | ||
=== 二、实验设备及平台 === | === 二、实验设备及平台 === | ||
- | -iCore3 双核心板( FPGA型号为EP4CE10F17)。 | + | |
- | -iCore3千兆网传输模块 | + | -iCore3 双核心板( FPGA型号为EP4CE10F17)[[https://item.taobao.com/item.htm?id=524229438677|点击购买]] |
- | -Blaster(或相同功能的)仿真器和USB线缆 | + | -千兆网传输模块[[https://item.taobao.com/item.htm?id=574787244706|点击购买]] |
+ | -Blaster(或相同功能的)仿真器和USB线缆[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]] | ||
-Micro USB线缆和千兆速率网线。 | -Micro USB线缆和千兆速率网线。 | ||
-QuartusII开发软件(本实验中使用的是13.1版本)、TCP&UDP测试工具软件、wireshark抓包软件。 | -QuartusII开发软件(本实验中使用的是13.1版本)、TCP&UDP测试工具软件、wireshark抓包软件。 | ||
-一台带有千兆网卡的电脑。 | -一台带有千兆网卡的电脑。 | ||
- | {{ :图32-1_硬件连接实物图.jpg?direct&600 |图32-1_硬件连接实物图}} | + | {{ :icore3:图32-1_硬件连接实物图.jpg?direct&600 |图32-1_硬件连接实物图}} |
**注意事项1:** 注意FPC转接板和千兆网卡模块下边缘对齐连接,如图30-1红圈内标注所示。\\ | **注意事项1:** 注意FPC转接板和千兆网卡模块下边缘对齐连接,如图30-1红圈内标注所示。\\ | ||
**注意事项2:** 确认PC端网卡和网线是千兆速率,网线的水晶头连接紧密稳定。\\ | **注意事项2:** 确认PC端网卡和网线是千兆速率,网线的水晶头连接紧密稳定。\\ | ||
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*2)FPGA打包数据,并发送至PC。 = | *2)FPGA打包数据,并发送至PC。 = | ||
*具体细分的话,要实现FPGA单次收发数据的功能,和测试FPGA大量发送数据至PC端的极限速率。 | *具体细分的话,要实现FPGA单次收发数据的功能,和测试FPGA大量发送数据至PC端的极限速率。 | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-2_数据收发传输路径.png?direct&600 |图32-2_数据收发传输路径}} | + | {{ :icore3:图32-2_数据收发传输路径.png?direct&600 |图32-2_数据收发传输路径}} |
*围绕实验目的,构建本次实验的开发环境。上图是本次实验需要构建的一个开发环境。图中绿色箭头代表PC端的TCP&UDP测试工具软件,发送数据至FPGA内部千兆网数据接收模块的数据流路径,这是数据接收过程(相对于FPGA来说)。红色箭头代表FPGA的数据发送模块,将数据传送至PC端TCP&UDP测试工具软件的数据传送路径,这是FPGA的数据发送过程。其中千兆网模块和iCore3开发板之间是通过排针连接, PC和千兆网模块是通过网线连接。PHY芯片和FPGA之间的数据传输,采用的是GMII接口。 | *围绕实验目的,构建本次实验的开发环境。上图是本次实验需要构建的一个开发环境。图中绿色箭头代表PC端的TCP&UDP测试工具软件,发送数据至FPGA内部千兆网数据接收模块的数据流路径,这是数据接收过程(相对于FPGA来说)。红色箭头代表FPGA的数据发送模块,将数据传送至PC端TCP&UDP测试工具软件的数据传送路径,这是FPGA的数据发送过程。其中千兆网模块和iCore3开发板之间是通过排针连接, PC和千兆网模块是通过网线连接。PHY芯片和FPGA之间的数据传输,采用的是GMII接口。 | ||
== 2、PHY芯片RTL8211EG == | == 2、PHY芯片RTL8211EG == | ||
*本实验中千兆网模块上的PHY芯片是realtek(瑞昱半导体)公司的RTL8211EG,采用64引脚封装,引脚分布如下图所示: | *本实验中千兆网模块上的PHY芯片是realtek(瑞昱半导体)公司的RTL8211EG,采用64引脚封装,引脚分布如下图所示: | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-3_rtl8211eg引脚示意图.png?direct&600 |图32-3_rtl8211eg引脚示意图}} | + | {{ :icore3:图32-3_rtl8211eg引脚示意图.png?direct&600 |图32-3_rtl8211eg引脚示意图}} |
*RTL8211EG作为高集成度的网络收发芯片,支持多种收发模式,支持GMII和RGMII两种接口。可以通过配置,使其工作在RGMII或者GMII模式。GMII接口使用引脚较多,采用时钟单边沿采样数据。而RGMII则在时钟的上升沿和下降沿都采样数据,节约引脚但增加了时序控制的复杂度。至于选用哪种接口,视需要而定。本实验的千兆网模块已经通过硬件配置使RTL8211EG工作在GMII模式,寄存器配置采用的是默认设置。因此,了解PHY芯片的硬件驱动原理和处理好数据的收发即可。 | *RTL8211EG作为高集成度的网络收发芯片,支持多种收发模式,支持GMII和RGMII两种接口。可以通过配置,使其工作在RGMII或者GMII模式。GMII接口使用引脚较多,采用时钟单边沿采样数据。而RGMII则在时钟的上升沿和下降沿都采样数据,节约引脚但增加了时序控制的复杂度。至于选用哪种接口,视需要而定。本实验的千兆网模块已经通过硬件配置使RTL8211EG工作在GMII模式,寄存器配置采用的是默认设置。因此,了解PHY芯片的硬件驱动原理和处理好数据的收发即可。 | ||
*通过阅读RTL8211EG芯片手册中GMII模式下对应引脚的介绍,可以知道各引脚的编号,输入输出类型以及功能描述等。包括数据收发对应的引脚以及模式配置引脚。 | *通过阅读RTL8211EG芯片手册中GMII模式下对应引脚的介绍,可以知道各引脚的编号,输入输出类型以及功能描述等。包括数据收发对应的引脚以及模式配置引脚。 | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-4_gmii模式引脚命名及定义1.png?&600 |图32-4_gmii模式引脚命名及定义}} | + | {{ :icore3:图32-4_gmii模式引脚命名及定义1.png?direct&800 |图32-4_gmii模式引脚命名及定义1}} |
- | {{ :图32-5_gmii模式引脚命名及定义2.png?nolink&600 |图32-5_gmii模式引脚命名及定义2}} | + | {{ :icore3:图32-5_gmii模式引脚命名及定义2.png?direct&800 |图32-5_gmii模式引脚命名及定义2}} |
*从芯片手册的表格中可以看到,RGMII模式和GMII模式是通过配置31号引脚来控制的。如下图红框中所示,拉低31号引脚的电平,则表示选择GMII模式,拉高则表示选择RGMII模式。从表格下方的原理图可以看到31号引脚接地,接口模式为 GMII接口。 | *从芯片手册的表格中可以看到,RGMII模式和GMII模式是通过配置31号引脚来控制的。如下图红框中所示,拉低31号引脚的电平,则表示选择GMII模式,拉高则表示选择RGMII模式。从表格下方的原理图可以看到31号引脚接地,接口模式为 GMII接口。 | ||
- | {{ :图32-6_phy芯片模式选择控制.png?600 |图32-6_phy芯片模式选择控制}} | + | {{ :icore3:图32-6_phy芯片模式选择控制.png?direct&600 |图32-6_phy芯片模式选择控制}} |
- | {{ :图32-7_rtl8211eg电路原理图.png?600 |图32-7_rtl8211eg电路原理图}} | + | {{ :icore3:图32-7_rtl8211eg电路原理图.png?direct&600 |图32-7_rtl8211eg电路原理图}} |
- | *表6.7中也包含了其他的配置信号,包括PHY地址和工作电压配置等,这些信号在千兆网模块上通过硬件电路已经配置完成,这里不再详解。有兴趣的同学可以结合手册和原理图,看一下是如何配置的。 | + | *图32-4和图32-5中也包含了其他的配置信号,包括PHY地址和工作电压配置等,这些信号在千兆网模块上通过硬件电路已经配置完成,这里不再详解。有兴趣的同学可以结合手册和原理图,看一下是如何配置的。 |
**3、GMII接口** | **3、GMII接口** | ||
*GMII接口采用8位数据通道,125MHz的工作时钟,可达1000Mbps的传输速率。符合IEEE802.3-2000标准以太网协议。在实际应用中,绝大多数GMII接口都是兼容MII接口的,所以,一般的GMII接口都有两个发送参考时钟:TX_CLK和GTX_CLK。本次实验是千兆网实验,使用的是GTX_CLK。 | *GMII接口采用8位数据通道,125MHz的工作时钟,可达1000Mbps的传输速率。符合IEEE802.3-2000标准以太网协议。在实际应用中,绝大多数GMII接口都是兼容MII接口的,所以,一般的GMII接口都有两个发送参考时钟:TX_CLK和GTX_CLK。本次实验是千兆网实验,使用的是GTX_CLK。 | ||
*TXCLK也是发射参考时钟,跟PHY芯片的传输速率有关。这个时钟是由PHY芯片提供,指向MAC侧的。100Mbps速率下,TXCLK的频率为25MHz,10Mbps速率下,TXCLK频率为2.5MHz。 | *TXCLK也是发射参考时钟,跟PHY芯片的传输速率有关。这个时钟是由PHY芯片提供,指向MAC侧的。100Mbps速率下,TXCLK的频率为25MHz,10Mbps速率下,TXCLK频率为2.5MHz。 | ||
*RXC也是PHY芯片提供的连续接收参考时钟。100Mbps速率下,时钟频率为25MHz,10Mbps速率下,时钟频率为2.5MHz。把FPGA看成MAC端,千兆网模块看成PHY端,他们之间的信号关联如下图所示: | *RXC也是PHY芯片提供的连续接收参考时钟。100Mbps速率下,时钟频率为25MHz,10Mbps速率下,时钟频率为2.5MHz。把FPGA看成MAC端,千兆网模块看成PHY端,他们之间的信号关联如下图所示: | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-8_gmii接口的相关信号.png?600 |图32-8_gmii接口的相关信号}} | + | {{ :icore3:图32-8_gmii接口的相关信号.png?direct&600 |图32-8_gmii接口的相关信号}} |
*关于GMII接口的信号定义,RTL8211EG的手册里有相关介绍,可以详参阅。 | *关于GMII接口的信号定义,RTL8211EG的手册里有相关介绍,可以详参阅。 | ||
*在GMII接口信号中,125Mhz的GTX_CLK作为发射参考时钟,由MCA侧提供给PHY芯片,即由FPGA内部PLL输出,提供给PHY芯片用于采集FPGA发送的数据。GTX_CLK上升沿要保证在数据的稳定期以确保采集数据的准确性。RTL8211EG的芯片手册中关于此信号和数据的规范如下图: | *在GMII接口信号中,125Mhz的GTX_CLK作为发射参考时钟,由MCA侧提供给PHY芯片,即由FPGA内部PLL输出,提供给PHY芯片用于采集FPGA发送的数据。GTX_CLK上升沿要保证在数据的稳定期以确保采集数据的准确性。RTL8211EG的芯片手册中关于此信号和数据的规范如下图: | ||
- | {{ :图32-9_gmii接口时序定义.png?600 |图32-9_gmii接口时序定义}} | + | {{ :icore3:图32-9_gmii接口时序定义.png?direct&600 |图32-9_gmii接口时序定义}} |
*图中可以看出,tGCC即RXCLK时钟周期,典型值是8ns,因为时钟频率是125MHz。tGSUR到时钟上升沿的最小值是2ns,也就是TXD的跳变沿要比GTXCLK的上升沿最少要早2ns。我们代码中命名为GTX_CLK(tGCC)的时钟,由PLL IP核输出。在PLL IP核关于此时钟的设定中我们设置了时钟沿延后2ns。如下图红框中所示: | *图中可以看出,tGCC即RXCLK时钟周期,典型值是8ns,因为时钟频率是125MHz。tGSUR到时钟上升沿的最小值是2ns,也就是TXD的跳变沿要比GTXCLK的上升沿最少要早2ns。我们代码中命名为GTX_CLK(tGCC)的时钟,由PLL IP核输出。在PLL IP核关于此时钟的设定中我们设置了时钟沿延后2ns。如下图红框中所示: | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-10_时钟gtx_clk相位偏移量设置.png?600 |图32-10_时钟gtx_clk相位偏移量设置}} | + | {{ :icore3:图32-10_时钟gtx_clk相位偏移量设置.png?direct&600 |图32-10_时钟gtx_clk相位偏移量设置}} |
=== 四、以太网 === | === 四、以太网 === | ||
*本实验所使用的千兆网模块基于PHY芯片RTL8211EG。作为物理层芯片,只负责数据的收发,不能对MAC层数据进行处理以及对协议的解析。这里就可以通过FPGA实现MAC层功能,按照互联网协议,解析出帧结构的数据部分,提取IP数据包。然后对IP数据包进行解析,读取IP数据包的数据部分,提取UDP数据包。再然后对UDP数据包进行解析,取出UDP包中的数据,也就是帧结构中的有效数据。从而实现FPGA解析以太网帧结构,解析IP协议,解析UDP数据包,以获取帧结构中的有效数据。 | *本实验所使用的千兆网模块基于PHY芯片RTL8211EG。作为物理层芯片,只负责数据的收发,不能对MAC层数据进行处理以及对协议的解析。这里就可以通过FPGA实现MAC层功能,按照互联网协议,解析出帧结构的数据部分,提取IP数据包。然后对IP数据包进行解析,读取IP数据包的数据部分,提取UDP数据包。再然后对UDP数据包进行解析,取出UDP包中的数据,也就是帧结构中的有效数据。从而实现FPGA解析以太网帧结构,解析IP协议,解析UDP数据包,以获取帧结构中的有效数据。 | ||
行 83: | 行 81: | ||
*接收端首先接收到的是由7个字节的0x55构成的前导码,然后收到一个0xD5作为帧起始符。起始符之后收到目标MAC地址,源MAC地址,然后是网络协议类型。本实验采用的是IPv 4网络协议,这个协议类型字段的值就应该是0x0800。然后是数据长度以及CRC-32的校验数据。 | *接收端首先接收到的是由7个字节的0x55构成的前导码,然后收到一个0xD5作为帧起始符。起始符之后收到目标MAC地址,源MAC地址,然后是网络协议类型。本实验采用的是IPv 4网络协议,这个协议类型字段的值就应该是0x0800。然后是数据长度以及CRC-32的校验数据。 | ||
*发送端与此类似,先发送7个字节的0x55,接着发送一个字节的0xd5,然后按顺序发送MCA地址协议类型以及数据和CRC校验值。 | *发送端与此类似,先发送7个字节的0x55,接着发送一个字节的0xd5,然后按顺序发送MCA地址协议类型以及数据和CRC校验值。 | ||
- | *前导码的作用是告诉接收节点有数据发送来了,做好接收准备。而SFD就代表一帧数据的起始。这里有个地方需要注意,就是数据的长度。标准以太网帧长度最小值为64 字节,最大值1518字节,有兴趣的可以查一下这两个数是怎么算的。这里的64和1518都是从目标地址开始算起的,不包括前导码和SFD,这也是为什么帧数据除了头部和校验以外的长度范围是46字节到1500字节。 | + | *标准以太网帧长度最小值为64 字节,最大值1518字节,有兴趣的可以查一下这两个数是怎么算的。这里的64和1518都是从目标地址开始算起的,不包括前导码和SFD,这也是为什么帧数据除了头部和校验以外的长度范围是46字节到1500字节。 |
== 2、IP协议 == | == 2、IP协议 == | ||
*IP数据包在以太网帧结构中是以帧数据的形式存在的。所以解析完以太网的帧结构,得到的以太网帧的数据部分,便是IP协议的数据包。按照IP协议的头部格式,对帧的数据部分依次进行比对判断。识别完IP首部,接下来读取的便是IP数据包的数据部分。那么,IP数据包以什么样的结构在以太网帧中存在的呢?请看下表: | *IP数据包在以太网帧结构中是以帧数据的形式存在的。所以解析完以太网的帧结构,得到的以太网帧的数据部分,便是IP协议的数据包。按照IP协议的头部格式,对帧的数据部分依次进行比对判断。识别完IP首部,接下来读取的便是IP数据包的数据部分。那么,IP数据包以什么样的结构在以太网帧中存在的呢?请看下表: | ||
行 131: | 行 129: | ||
=== 五、代码讲解 === | === 五、代码讲解 === | ||
*首先来看一下这张图: | *首先来看一下这张图: | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-11_数据接收流程图.png?300 |图32-11_数据接收流程图}} | + | {{ :icore3:图32-11_数据接收流程图.png?direct&300 |图32-11_数据接收流程图}} |
*这是数据接收时,FPGA内部接收模块数据做处理的流程。FPGA作为接收方,要判断接收的数据是否为一个帧数据包,就要按照帧结构,依次对接收的数据进行判断。只有数据符合帧结构,且MAC地址、IP地址、以及端口信息均和预期的吻合,才开始接收有效数据并缓存到寄存器组变量buffer中。否则就返回到初始状态继续等待数据的到来。 | *这是数据接收时,FPGA内部接收模块数据做处理的流程。FPGA作为接收方,要判断接收的数据是否为一个帧数据包,就要按照帧结构,依次对接收的数据进行判断。只有数据符合帧结构,且MAC地址、IP地址、以及端口信息均和预期的吻合,才开始接收有效数据并缓存到寄存器组变量buffer中。否则就返回到初始状态继续等待数据的到来。 | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-12_数据发送流程图.png?400 |图32-12_数据发送流程图}} | + | {{ :icore3:图32-12_数据发送流程图.png?direct&400 |图32-12_数据发送流程图}} |
*上图是帧数据发送流程图。一旦SD_EN为高的时候,进入帧数据发送流程。发送数据的时候要按照协议协议规定,以125MHz时钟信号做参考,将数据依次发送出去。按照顺序发送的思想,这里使用case语句控制状态的跳转,并通过计数对帧头部数据的发送进行控制。发送完UDP首部以后判断flag信号电平的高低。控制state是进入单次发送状态(send_data)还是连续发送状态(send_data1)。 | *上图是帧数据发送流程图。一旦SD_EN为高的时候,进入帧数据发送流程。发送数据的时候要按照协议协议规定,以125MHz时钟信号做参考,将数据依次发送出去。按照顺序发送的思想,这里使用case语句控制状态的跳转,并通过计数对帧头部数据的发送进行控制。发送完UDP首部以后判断flag信号电平的高低。控制state是进入单次发送状态(send_data)还是连续发送状态(send_data1)。 | ||
*有了上面的思路就可以构思代码逻辑了。 | *有了上面的思路就可以构思代码逻辑了。 | ||
行 174: | 行 172: | ||
*在解析UDP包头的时候,也对目标端口进行了判断。要保证TCP&UDP测试软件设置的时候的端口值和此处代码中的端口值保持一致,否则会导致数据接收失败。 | *在解析UDP包头的时候,也对目标端口进行了判断。要保证TCP&UDP测试软件设置的时候的端口值和此处代码中的端口值保持一致,否则会导致数据接收失败。 | ||
<code verilog> | <code verilog> | ||
- | UDP_R:// 接收UDP包头 8 byte | + | UDP_R:// 接收UDP包头 8 byte |
- | begin | + | begin |
- | if(cnt_R == 8'd7) | + | if(cnt_R == 8'd7) |
+ | begin | ||
+ | udp_head <= {udp_head[55:0],data1}; | ||
+ | cnt_R <= 8'd0; | ||
+ | if(udp_head[39:24] == 16'h7530)//16进制的7530是十进制的30000,即设定的端口号 | ||
+ | begin | ||
+ | data_lenght <= udp_head[23:8] - 16'd8;//提取数据长度,udp_head的[23:8]定义了UDP包的数据长度,包括了UDP头部,所以这里要减去UDP头部的数据长度8 | ||
+ | STATE_R <= APP_R; | ||
+ | end | ||
+ | else | ||
begin | begin | ||
- | udp_head <= {udp_head[55:0],data1}; | + | STATE_R <= PRE_R; //如果端口不匹配,则返回PRE_R状态 |
- | cnt_R <= 8'd0; | + | |
- | if(udp_head[39:24] == 16'h7530)//16进制的7530是十进制的30000,即设定的端口号 | + | |
- | begin | + | |
- | data_lenght <= udp_head[23:8] - 16'd8;//提取数据长度,udp_head的[23:8]定义了UDP包的数据长度,包括了UDP头部,所以这里要减去UDP头部的数据长度8 | + | |
- | STATE_R <= APP_R; | + | |
- | end | + | |
- | else | + | |
- | begin | + | |
- | STATE_R <= PRE_R; //如果端口不匹配,则返回PRE_R状态 | + | |
- | end | + | |
end | end | ||
- | else | + | end |
- | begin | + | else |
- | udp_head <= {udp_head[55:0],data1}; | + | begin |
- | cnt_R <= cnt_R +1'd1; | + | udp_head <= {udp_head[55:0],data1}; |
- | end | + | cnt_R <= cnt_R +1'd1; |
- | end | + | end |
+ | end | ||
</code> | </code> | ||
*在这个状态机中还有个标志信号UDP_SD_EN,在存取有效数据完毕的同时,拉高UDP_SD_EN这个信号,在帧结束状态拉低这个信号,如果感兴趣,可以用SignalTap II Logic Anlyzer(quartus II 自带的逻辑分析仪)查看一下这个信号持续了几个时钟周期。这个标志位的作用是表示一个完整的帧数据包接收完成了。在发送数据的时候,以这个信号判断数据是否接收完毕。 | *在这个状态机中还有个标志信号UDP_SD_EN,在存取有效数据完毕的同时,拉高UDP_SD_EN这个信号,在帧结束状态拉低这个信号,如果感兴趣,可以用SignalTap II Logic Anlyzer(quartus II 自带的逻辑分析仪)查看一下这个信号持续了几个时钟周期。这个标志位的作用是表示一个完整的帧数据包接收完成了。在发送数据的时候,以这个信号判断数据是否接收完毕。 | ||
行 205: | 行 203: | ||
reg flag_l;//连发停止位标志 | reg flag_l;//连发停止位标志 | ||
- | always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) | + | always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) |
if(rst_N==1'b0) | if(rst_N==1'b0) | ||
+ | flag_h<=1'b0; | ||
+ | else if((buffer[0]==8'h33)&&(STATE_UT==APP_R))//连发开始位标志3 | ||
+ | flag_h<=1'b1; | ||
+ | else | ||
flag_h<=1'b0; | flag_h<=1'b0; | ||
- | else if((buffer[0]==8'h33)&&(STATE_UT==APP_R))//连发开始位标志3 | ||
- | flag_h<=1'b1; | ||
- | else | ||
- | flag_h<=1'b0; | ||
always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) | always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) | ||
if(rst_N==1'b0) | if(rst_N==1'b0) | ||
+ | flag_l<=1'b0; | ||
+ | else if((buffer[0]==8'h73)&&(STATE_UT==APP_R))//连发停止位标志s | ||
+ | flag_l<=1'b1; | ||
+ | else | ||
flag_l<=1'b0; | flag_l<=1'b0; | ||
- | else if((buffer[0]==8'h73)&&(STATE_UT==APP_R))//连发停止位标志s | ||
- | flag_l<=1'b1; | ||
- | else | ||
- | flag_l<=1'b0; | ||
always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) | always@(posedge RX_CLK or negedge rst_N ) | ||
if(rst_N==1'b0) | if(rst_N==1'b0) | ||
- | flag<=1'b0; | + | flag<=1'b0; |
else if(flag_l) //连发状态停止 | else if(flag_l) //连发状态停止 | ||
- | flag<=1'b0; | + | flag<=1'b0; |
- | else if(flag_h==1'b1)//连发状态开始 | + | else if(flag_h==1'b1)//连发状态开始 |
- | flag<=1'b1; | + | flag<=1'b1; |
</code> | </code> | ||
*看这段代码,定义了另外两个寄存器变量,用于控制flag信号,那么控制flag变量的flag_h和flag_l又是如何产生的呢?在代码中,通过对数据接收模块状态和接收的第一个字符的值进行综合判断,当接收模块处于接收有效数据,且第一个接受到的数值为“3”的时候,拉高一个时钟周期的flag_h信号。flag_l则根据接收数据的第一个字符为“s”的时候拉高一个时钟周期。这里大家应该有注意到,当我们对数据接收缓存器的第一个值buffer[0]进行判断时,对比值是8’h33和8’h73。这里的8’h33和8’h73分别是ASCII码“3”和“s”对应的16进制数。这是因为我们使用TCP&UDP测试工具给FPGA发送数据的时候选择的是ASCII格式。 | *看这段代码,定义了另外两个寄存器变量,用于控制flag信号,那么控制flag变量的flag_h和flag_l又是如何产生的呢?在代码中,通过对数据接收模块状态和接收的第一个字符的值进行综合判断,当接收模块处于接收有效数据,且第一个接受到的数值为“3”的时候,拉高一个时钟周期的flag_h信号。flag_l则根据接收数据的第一个字符为“s”的时候拉高一个时钟周期。这里大家应该有注意到,当我们对数据接收缓存器的第一个值buffer[0]进行判断时,对比值是8’h33和8’h73。这里的8’h33和8’h73分别是ASCII码“3”和“s”对应的16进制数。这是因为我们使用TCP&UDP测试工具给FPGA发送数据的时候选择的是ASCII格式。 | ||
行 235: | 行 233: | ||
always@(posedge clk_125M or negedge rst_N) | always@(posedge clk_125M or negedge rst_N) | ||
if(!rst_N) | if(!rst_N) | ||
- | SD_EN<=1'b0; | + | SD_EN<=1'b0; |
else if(flag) | else if(flag) | ||
- | SD_EN<=1'b1; | + | SD_EN<=1'b1; |
- | else if(!flag) | + | else if(!flag) |
- | SD_EN<=UDP_SD_EN; | + | SD_EN<=UDP_SD_EN; |
</code> | </code> | ||
*进入发送状态以后,是将帧头部和IP头部以及校验和的值存入对应的寄存器。准备工作做好之后,开始进入发送状态。在发送数据之前,先进行IP首部校验和的运算。IP校验的目的是为了保证IP首部的完整性。算法也比较简单,反码求和。反码求和的意思是先将IP首部的数据每两个字节拼成一个16位数,并对这些16位数求和。将求和的结果存入一个32位寄存器中,然后将寄存器的高16位和低16位求和取反即可得到IP首部校验和。代码如下: | *进入发送状态以后,是将帧头部和IP头部以及校验和的值存入对应的寄存器。准备工作做好之后,开始进入发送状态。在发送数据之前,先进行IP首部校验和的运算。IP校验的目的是为了保证IP首部的完整性。算法也比较简单,反码求和。反码求和的意思是先将IP首部的数据每两个字节拼成一个16位数,并对这些16位数求和。将求和的结果存入一个32位寄存器中,然后将寄存器的高16位和低16位求和取反即可得到IP首部校验和。代码如下: | ||
行 245: | 行 243: | ||
check1: | check1: | ||
begin | begin | ||
- | if(cnt == 8'd6) | + | if(cnt == 8'd6) |
- | begin//IP计算首部校验和:以16位相加方式加到32位校验和中 | + | begin//IP计算首部校验和:以16位相加方式加到32位校验和中 |
- | ip_check_sum <= {ip_send[0],ip_send[1]} + {ip_send[2],ip_send[3]}+{ip_send[4],ip_send[5]} + {ip_send[6],ip_send[7]} + {ip_send[8],ip_send[9]}+{ip_send[12],ip_send[13]}+{ip_send[14],ip_send[15]}+{ip_send[16],ip_send[17]}+{ip_send[18],ip_send[19]}; | + | ip_check_sum <= {ip_send[0],ip_send[1]} + {ip_send[2],ip_send[3]}+{ip_send[4],ip_send[5]} + {ip_send[6],ip_send[7]} + {ip_send[8],ip_send[9]}+{ip_send[12],ip_send[13]}+{ip_send[14],ip_send[15]}+{ip_send[16],ip_send[17]}+{ip_send[18],ip_send[19]}; |
- | crc_reset <= 1'd1; | + | crc_reset <= 1'd1; |
- | cnt <= 8'd0; | + | cnt <= 8'd0; |
- | STATE_UT <= check2; | + | STATE_UT <= check2; |
- | end | + | end |
- | else | + | else |
- | begin | + | begin |
- | cnt <= cnt + 1'd1; | + | cnt <= cnt + 1'd1; |
- | end | + | end |
end | end | ||
check2: | check2: | ||
begin//IP计算首部校验和:16位相加取反 | begin//IP计算首部校验和:16位相加取反 | ||
- | {ip_send[10],ip_send[11]} = ~(ip_check_sum[15:0] + ip_check_sum[31:16]); | + | {ip_send[10],ip_send[11]} = ~(ip_check_sum[15:0] + ip_check_sum[31:16]); |
- | STATE_UT <= send55; | + | STATE_UT <= send55; |
end | end | ||
</code> | </code> | ||
行 267: | 行 265: | ||
<code verilog> | <code verilog> | ||
send_udp://发送UDP包头 | send_udp://发送UDP包头 | ||
- | begin | + | begin |
- | if(cnt == 8'd7) | + | if(cnt == 8'd7) |
- | begin | + | begin |
- | data_out <= udp_send[cnt]; | + | data_out <= udp_send[cnt]; |
- | cnt <= 8'd0; | + | cnt <= 8'd0; |
- | data_counter <= 16'd0; | + | data_counter <= 16'd0; |
- | if(flag) //控制发送状态跳转至send_data1 | + | if(flag) //控制发送状态跳转至send_data1 |
- | STATE_UT<=send_data1; | + | STATE_UT<=send_data1; |
- | else | + | else |
- | STATE_UT <= send_data; | + | STATE_UT <= send_data; |
- | end | + | end |
- | else | + | else |
- | begin | + | begin |
- | data_out <= udp_send[cnt]; | + | data_out <= udp_send[cnt]; |
- | cnt <= cnt +1'd1; | + | cnt <= cnt +1'd1; |
- | end | + | end |
end | end | ||
</code> | </code> | ||
行 288: | 行 286: | ||
<code verilog> | <code verilog> | ||
send_data://发送数据 | send_data://发送数据 | ||
- | begin | + | begin |
- | if(data_lenght < 16'd19) | + | if(data_lenght < 16'd19) |
- | begin | + | begin |
- | if(data_counter == 16'd20) | + | if(data_counter == 16'd20) |
- | begin | + | begin |
- | data_out <= buffer[data_counter]; | + | data_out <= buffer[data_counter]; |
- | data_counter <= 16'd0; | + | data_counter <= 16'd0; |
- | STATE_UT <= send_crc; | + | STATE_UT <= send_crc; |
- | end | + | end |
- | else | + | else |
- | begin | + | begin |
- | data_out <= buffer[data_counter]; | + | data_out <= buffer[data_counter]; data_counter <= data_counter + 1'd1; |
- | data_counter <= data_counter + 1'd1; | + | end |
- | end | + | end |
- | end | + | else |
- | else | + | begin |
- | begin | + | if(data_counter == data_lenght - 16'd1) |
- | if(data_counter == data_lenght - 16'd1) | + | begin |
- | begin | + | data_out <= buffer[data_counter]; |
- | data_out <= buffer[data_counter]; | + | data_counter <= 16'd0; |
- | data_counter <= 16'd0; | + | STATE_UT <= send_crc; |
- | STATE_UT <= send_crc; | + | end |
- | end | + | else |
- | else | + | begin |
- | begin | + | data_out <= buffer[data_counter]; data_counter <= data_counter + 1'd1; |
- | data_out <= buffer[data_counter]; data_counter <= data_counter + 1'd1; | + | end |
- | end | + | end |
- | end | + | |
end | end | ||
+ | |||
send_data1: | send_data1: | ||
- | begin | + | begin |
- | if(cnt_l==1200) | + | if(cnt_l==1200) |
- | begin | + | begin |
- | STATE_UT <=send_crc; | + | STATE_UT <=send_crc; |
- | cnt_l<=12'd0; | + | cnt_l<=12'd0; |
- | end | + | end |
- | else | + | else |
- | begin | + | begin |
- | data_out<=8'h38;//输出数值随便定义,这里设定的“8” | + | data_out<=8'h38;//输出数值随便定义,这里设定的“8” |
- | cnt_l<=cnt_l+1'b1; | + | cnt_l<=cnt_l+1'b1; |
- | end | + | end |
end | end | ||
</code> | </code> | ||
行 343: | 行 341: | ||
*点击【设置】选项,在弹出窗口中的以太网界面点击①处【更改适配器】选项。弹出网络连接界面,右键单击②处【以太网】,选择【属性】。在弹出界面点击③处的【协议版本4】,点击【属性】。弹出界面后在④处选择使【用下面的IP地址】,并设置IP地址和子网掩码,完成后点击【OK】并退出。如图中①②③④所示: | *点击【设置】选项,在弹出窗口中的以太网界面点击①处【更改适配器】选项。弹出网络连接界面,右键单击②处【以太网】,选择【属性】。在弹出界面点击③处的【协议版本4】,点击【属性】。弹出界面后在④处选择使【用下面的IP地址】,并设置IP地址和子网掩码,完成后点击【OK】并退出。如图中①②③④所示: | ||
* | * | ||
- | {{ :图32-13_设置ip地址.png?600 |图32-13_设置ip地址}} | + | {{ :icore3:图32-13_设置ip地址.png?direct&600 |图32-13_设置ip地址}} |
*3)连接好网线和调试工具,供电并编译下载。 | *3)连接好网线和调试工具,供电并编译下载。 | ||
*4)打开wireshark抓包软件,双击以太网那行,进入抓数据包界面。 | *4)打开wireshark抓包软件,双击以太网那行,进入抓数据包界面。 | ||
- | + | ||
- | {{ :图32-4_gmii模式引脚命名及定义1.png?600 |图32-4_gmii模式引脚命名及定义1}} | + | {{ :icore3:图32-14_wireshark界面.png?direct&600 |图32-14_wireshark界面}} |
*5)打开PC端的任务管理器,在性能界面点击【以太网】,在此界面可以实时动态显示PC端以太网接口发送和接收数据的速率。 | *5)打开PC端的任务管理器,在性能界面点击【以太网】,在此界面可以实时动态显示PC端以太网接口发送和接收数据的速率。 | ||
行 354: | 行 352: | ||
*(1)打开软件,点击客户端模式,创建连接。 | *(1)打开软件,点击客户端模式,创建连接。 | ||
- | {{ :图32-15_tcp_udp测试工具创建连接.png?600 |图32-15 TCP&UDP测试工具创建连接}} | + | {{ :icore3:图32-15_tcp_udp测试工具创建连接.png?direct&600 |图32-15 TCP&UDP测试工具创建连接}} |
*(2)配置为UDP格式,并指定目标IP和端口号,注意此处IP和端口号要跟代码中的相互对应。点击【创建】按钮。 | *(2)配置为UDP格式,并指定目标IP和端口号,注意此处IP和端口号要跟代码中的相互对应。点击【创建】按钮。 | ||
- | {{ :图32-16_tcp_udp测试工具参数设置.png?600 |图32-16 TCP&UDP测试工具参数设置}} | + | {{ :icore3:图32-16_tcp_udp测试工具参数设置.png?direct&600 |图32-16 TCP&UDP测试工具参数设置}} |
*出现下图界面,从界面中红框处可以看到IP、端口、类型等信息,点击蓝色框中的【创建】创立连接。如果打开软件后发送区为灰色,可以点击绿色框中的【√】,取消发送文件选项(本实验暂不支持文件的传输)。这时会看到TCP&UDP测试工具软件的发送区可以输入内容了。在发送区输入任意内容,点击发送或者自动发送(此处自动发送为PC端持续向iCore3发送数据,iCore3接收并返回数据到PC端),即可实现PC端向FPGA发送数据。 | *出现下图界面,从界面中红框处可以看到IP、端口、类型等信息,点击蓝色框中的【创建】创立连接。如果打开软件后发送区为灰色,可以点击绿色框中的【√】,取消发送文件选项(本实验暂不支持文件的传输)。这时会看到TCP&UDP测试工具软件的发送区可以输入内容了。在发送区输入任意内容,点击发送或者自动发送(此处自动发送为PC端持续向iCore3发送数据,iCore3接收并返回数据到PC端),即可实现PC端向FPGA发送数据。 | ||
- | {{ :图32-17_tcp_udp测试工具测试界面.png?600 |图32-17 TCP&UDP测试工具测试界面}} | + | {{ :icore3:图32-17_tcp_udp测试工具测试界面.png?direct&600 |图32-17 TCP&UDP测试工具测试界面}} |
*本实验中使用3和s(小写)作为高速发送模式的标识符,即当PC发送的内容第一个字符为3这个数字时,FPGA开始连续大量发送数字8到PC,此时可以测试FPGA的千兆网模块发送数据的能力。 | *本实验中使用3和s(小写)作为高速发送模式的标识符,即当PC发送的内容第一个字符为3这个数字时,FPGA开始连续大量发送数字8到PC,此时可以测试FPGA的千兆网模块发送数据的能力。 | ||
*FPGA大量发送数据的过程中,如果PC端通过TCP&UDP测试软件给千兆网模块发送的内容第一个字符为s(小写),则FPGA停止发送数字8,返回到普通模式。 | *FPGA大量发送数据的过程中,如果PC端通过TCP&UDP测试软件给千兆网模块发送的内容第一个字符为s(小写),则FPGA停止发送数字8,返回到普通模式。 | ||
行 367: | 行 365: | ||
*不勾选【自动发送】选项,则点击发送的时候,发送的内容可以在接收区看到。这里以数字“4”为例,在TCP&UDP测试工具的发送区输入数字“4”,并点击发送。可以在接收区看到数字“4”,表示FPGA接收到数字4,并将其返回至PC端。同时可以在wireshark界面看到PC端网口抓到的本次发送和接收的数据包信息。如下图红框中所示,是本次发送和接收的IP地址信息和数据包格式信息,点击任意一行,会深色显示,表示选中,在界面的中间窗口有源端口和目标端口的显示,对照TCP&UDP测试工具软件的蓝色框内信息可以确认我们的端口信息。底端窗口橙色框中所示,是数字“4”的16进制和ASCII码格式。 | *不勾选【自动发送】选项,则点击发送的时候,发送的内容可以在接收区看到。这里以数字“4”为例,在TCP&UDP测试工具的发送区输入数字“4”,并点击发送。可以在接收区看到数字“4”,表示FPGA接收到数字4,并将其返回至PC端。同时可以在wireshark界面看到PC端网口抓到的本次发送和接收的数据包信息。如下图红框中所示,是本次发送和接收的IP地址信息和数据包格式信息,点击任意一行,会深色显示,表示选中,在界面的中间窗口有源端口和目标端口的显示,对照TCP&UDP测试工具软件的蓝色框内信息可以确认我们的端口信息。底端窗口橙色框中所示,是数字“4”的16进制和ASCII码格式。 | ||
- | {{ :图32-18_tcp_udp测试工具和wireshark软件联合调试.png?600 |图32-18 TCP&UDP测试工具和wireshark软件联合调试}} | + | {{ :icore3:图32-18_tcp_udp测试工具和wireshark软件联合调试.png?direct&600 |图32-18 TCP&UDP测试工具和wireshark软件联合调试}} |
*勾选【连续发送】后可以看到接收区不断的接收和发送区相同的内容。这是TCP&UDP测试软件持续将发送区内容发送至FPGA、FPGA再把接收到的内容发送至PC端的过程。 | *勾选【连续发送】后可以看到接收区不断的接收和发送区相同的内容。这是TCP&UDP测试软件持续将发送区内容发送至FPGA、FPGA再把接收到的内容发送至PC端的过程。 | ||
*此时在TCP&UDP测试工具的发送区输入第一个字符为3的内容,并点击发送。在任务管理器界面可以看到接收速率达980 Mbps。同时可以在TCP&UDP测试工具软件的接收区看到连续的数字“8”接收进来,说明成功实现了FPGA向PC端以接近千兆的速率传输数据。 | *此时在TCP&UDP测试工具的发送区输入第一个字符为3的内容,并点击发送。在任务管理器界面可以看到接收速率达980 Mbps。同时可以在TCP&UDP测试工具软件的接收区看到连续的数字“8”接收进来,说明成功实现了FPGA向PC端以接近千兆的速率传输数据。 | ||
- | {{ :图32-19_测试结果.png?600 |图32-19 测试结果}} | + | {{ :icore3:图32-19_测试结果.png?direct&600 |图32-19 测试结果}} |
*在FPGA高速发送数据模式下,如果在TCP&UDP测试工具软件的发送区输入第一个字符为“s” (小写)的内容并点击发送,可以在任务管理器界面看到数据接收变为0Kbps。由于TCP&UDP测试工具软件会缓存接收的数据并显示,等待一会儿之后可以看到接收区停止显示数字“8”,并且结尾显示有我们发送的字符“s”。如果有丢包现象,可以多点击两次【发送】按钮。目前千兆以太网已经很常见了,理论网速可达1000Mbit/s,实际传输时接近该值,但几乎达不到该值。本次例程中传输速率实测可达980Mbit/s。至此,本实验实现了基于FPGA的千兆网实验,包括数据的单次收发,连续收发以及接近千兆的发送能力测试。 | *在FPGA高速发送数据模式下,如果在TCP&UDP测试工具软件的发送区输入第一个字符为“s” (小写)的内容并点击发送,可以在任务管理器界面看到数据接收变为0Kbps。由于TCP&UDP测试工具软件会缓存接收的数据并显示,等待一会儿之后可以看到接收区停止显示数字“8”,并且结尾显示有我们发送的字符“s”。如果有丢包现象,可以多点击两次【发送】按钮。目前千兆以太网已经很常见了,理论网速可达1000Mbit/s,实际传输时接近该值,但几乎达不到该值。本次例程中传输速率实测可达980Mbit/s。至此,本实验实现了基于FPGA的千兆网实验,包括数据的单次收发,连续收发以及接近千兆的发送能力测试。 | ||
=== 七、拓展实验: === | === 七、拓展实验: === |