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10G Ethernet Subsystem 基于K7芯片的UDP通讯_k7开源的udp ip核

作者：不正经 | 2024-05-16 00:46:28

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k7开源的udp ip核

I. 引言

背景介绍

        以太网作为一种广泛应用于计算机网络中的通信协议，已经成为现代通信领域中不可或缺的技术。在嵌入式系统和网络应用中，以太网的应用也变得越来越重要。为了满足不同应用需求，Xilinx公司开发了Ethernet Subsystem软核，为设计师提供了一种快速、灵活且可定制的以太网解决方案。

        Ethernet Subsystem是Xilinx Vivado开发套件中的一个重要组件，它提供了在FPGA上实现以太网功能所需的关键功能模块和IP核。通过使用Ethernet Subsystem，设计师可以轻松地集成以太网功能到他们的嵌入式系统中，而无需从头开始设计和实现复杂的以太网协议。

        Ethernet Subsystem的核心组件包括MAC层、PHY层和处理器系统接口。MAC层是以太网通信中的介质访问控制层，负责处理帧的发送和接收，以及与PHY层之间的接口。PHY层是物理层，负责处理电气信号的发送和接收，以及与MAC层之间的接口。处理器系统接口提供了与处理器系统的连接，使设计师能够通过处理器来控制和配置Ethernet Subsystem。

        Ethernet Subsystem的优势在于其高度可定制性和灵活性。设计师可以根据具体应用需求，选择不同的配置选项，包括速率、协议支持、接口类型等。此外，Ethernet Subsystem还提供了丰富的软件驱动程序和API，简化了软件开发和集成过程。

II. 技术概述

技术的定义和背景知识

        以太网：以太网是一种广泛应用于计算机网络中的通信协议，它定义了数据在局域网中的传输方式和规范。以太网在局域网中得到广泛应用，支持高速数据传输和实时通信。

        FPGA（Field-Programmable Gate Array）：FPGA是一种可编程逻辑器件，具有灵活性和可重构性。它由一系列可编程的逻辑单元和可编程的连线资源组成，可以根据需要重新配置和重新编程，实现不同的数字电路功能。

        Vivado开发套件：Vivado是Xilinx公司提供的一套综合设计工具，用于FPGA和SoC系统的设计、仿真、综合和实现。Vivado提供了丰富的IP核和开发工具，简化了硬件设计和开发过程。

        IP核：IP核是一种可重用的硬件模块，提供了特定功能的设计和实现。Ethernet Subsystem作为一种IP核，提供了以太网通信功能的集成解决方案，简化了以太网功能的设计和开发过程。

III.IP核的建立

此选项不进行共享时钟逻辑。优点接口少好操作，缺点只可以建立一个IP核。（我有一篇文章介绍了如何进行多个核互联）传送门：FPGA光纤Aurora_8B_10B_fpga aurora的实际带宽-CSDN博客

  1. //----------- Begin Cut here for INSTANTIATION Template ---// INST_TAG
  2. axi_10g_ethernet_0 your_instance_name (
  3.   .tx_axis_aresetn(tx_axis_aresetn),                // 复位   。 需拉低一段时间 
  4.   .rx_axis_aresetn(rx_axis_aresetn),                // 复位   。 需拉低一段时间 
  5.   .tx_ifg_delay(tx_ifg_delay),                      // input wire [7 : 0] tx_ifg_delay
  6.   .dclk(dclk),                                      // DRP 时钟
  7.   .txp(txp),                                        // 光口
  8.   .txn(txn),                                        // 光口
  9.   .rxp(rxp),                                        // 光口
  10.   .rxn(rxn),                                        // 光口
  11.   .signal_detect(signal_detect),                    // input wire signal_detect
  12.   .tx_fault(tx_fault),                              // 检测光模块 状态信号
  13.   .tx_disable(tx_disable),                          // 连接光模块的控制
  14.   .pcspma_status(pcspma_status),                    // output wire [7 : 0] pcspma_status
  15.   .sim_speedup_control(sim_speedup_control),        // 使用此信号，可缩短计算时间1 用于仿真
  16.   .rxrecclk_out(rxrecclk_out),                      // 时钟
  17.   .s_axi_aclk(s_axi_aclk),                          // input wire s_axi_aclk
  18.   .s_axi_aresetn(s_axi_aresetn),                    // input wire s_axi_aresetn
  19.   .xgmacint(xgmacint),                              // output wire xgmacint
  20.   .areset_datapathclk_out(areset_datapathclk_out),  // output wire areset_datapathclk_out
  21.   .txusrclk_out(txusrclk_out),                      // output wire txusrclk_out
  22.   .txusrclk2_out(txusrclk2_out),                    // output wire txusrclk2_out
  23.   .gttxreset_out(gttxreset_out),                    // output wire gttxreset_out
  24.   .gtrxreset_out(gtrxreset_out),                    // output wire gtrxreset_out
  25.   .txuserrdy_out(txuserrdy_out),                    // output wire txuserrdy_out
  26.   .coreclk_out(coreclk_out),                        // output wire coreclk_out
  27.   .resetdone_out(resetdone_out),                    // output wire resetdone_out
  28.   .reset_counter_done_out(reset_counter_done_out),  // output wire reset_counter_done_out
  29.   .qplllock_out(qplllock_out),                      // output wire qplllock_out
  30.   .qplloutclk_out(qplloutclk_out),                  // output wire qplloutclk_out
  31.   .qplloutrefclk_out(qplloutrefclk_out),            // output wire qplloutrefclk_out
  32.   .refclk_p(refclk_p),                              // input wire refclk_p
  33.   .refclk_n(refclk_n),                              // input wire refclk_n
  34.   .reset(reset),                                    // input wire reset
  35.   .s_axi_araddr(s_axi_araddr),                      // input wire [10 : 0] s_axi_araddr
  36.   .s_axi_arready(s_axi_arready),                    // output wire s_axi_arready
  37.   .s_axi_arvalid(s_axi_arvalid),                    // input wire s_axi_arvalid
  38.   .s_axi_awaddr(s_axi_awaddr),                      // input wire [10 : 0] s_axi_awaddr
  39.   .s_axi_awready(s_axi_awready),                    // output wire s_axi_awready
  40.   .s_axi_awvalid(s_axi_awvalid),                    // input wire s_axi_awvalid
  41.   .s_axi_bready(s_axi_bready),                      // input wire s_axi_bready
  42.   .s_axi_bresp(s_axi_bresp),                        // output wire [1 : 0] s_axi_bresp
  43.   .s_axi_bvalid(s_axi_bvalid),                      // output wire s_axi_bvalid
  44.   .s_axi_rdata(s_axi_rdata),                        // output wire [31 : 0] s_axi_rdata
  45.   .s_axi_rready(s_axi_rready),                      // input wire s_axi_rready
  46.   .s_axi_rresp(s_axi_rresp),                        // output wire [1 : 0] s_axi_rresp
  47.   .s_axi_rvalid(s_axi_rvalid),                      // output wire s_axi_rvalid
  48.   .s_axi_wdata(s_axi_wdata),                        // input wire [31 : 0] s_axi_wdata
  49.   .s_axi_wready(s_axi_wready),                      // output wire s_axi_wready
  50.   .s_axi_wvalid(s_axi_wvalid),                      // input wire s_axi_wvalid
  51.   //axis_tx数据接口   发送
  52.   .s_axis_tx_tdata(s_axis_tx_tdata),                // input wire [63 : 0] s_axis_tx_tdata
  53.   .s_axis_tx_tkeep(s_axis_tx_tkeep),                // input wire [7 : 0] s_axis_tx_tkeep
  54.   .s_axis_tx_tlast(s_axis_tx_tlast),                // input wire s_axis_tx_tlast
  55.   .s_axis_tx_tready(s_axis_tx_tready),              // output wire s_axis_tx_tready
  56.   .s_axis_tx_tuser(s_axis_tx_tuser),                // input wire [0 : 0] s_axis_tx_tuser
  57.   .s_axis_tx_tvalid(s_axis_tx_tvalid),              // input wire s_axis_tx_tvalid
  58.   .s_axis_pause_tdata(s_axis_pause_tdata),          // input wire [15 : 0] s_axis_pause_tdata
  59.   .s_axis_pause_tvalid(s_axis_pause_tvalid),        // input wire s_axis_pause_tvalid
  60.  //axis_rx数据接口    接收
  61.   .m_axis_rx_tdata(m_axis_rx_tdata),                // output wire [63 : 0] m_axis_rx_tdata
  62.   .m_axis_rx_tkeep(m_axis_rx_tkeep),                // output wire [7 : 0] m_axis_rx_tkeep
  63.   .m_axis_rx_tlast(m_axis_rx_tlast),                // output wire m_axis_rx_tlast
  64.   .m_axis_rx_tuser(m_axis_rx_tuser),                // output wire m_axis_rx_tuser
  65.   .m_axis_rx_tvalid(m_axis_rx_tvalid),              // output wire m_axis_rx_tvalid
  66.   .tx_statistics_valid(tx_statistics_valid),        // 数据有效信号
  67.   .tx_statistics_vector(tx_statistics_vector),      // 状态标志信号
  68.   .rx_statistics_valid(rx_statistics_valid),        // 数据有效信号
  69.   .rx_statistics_vector(rx_statistics_vector)       // 状态标志信号
  70. );

顶层接口定义

  1. module 10G_ethernet(
  2.     input  sys_clk_100m      ,//板卡的系统时钟
  3.     input  refclk_n_0        ,//光口时钟
  4.     input  refclk_p_0        ,
  5.     input  rxn_0             ,//光口接收
  6.     input  rxp_0             ,
  7.     output txp_0             ,//光口发送
  8.     output txn_0             ,
  9.     output led               ,//工作状态指示信号
  10.     output tx_dis             //通道开启信号
  11.     );

IV.功能验证

  需要准备工具：10G网卡一个（PCIE接口）、支持10G的光模块两个、光纤线缆一对。

程序下载完成后，10G网卡灯亮起，证明与10G Ethernet Subsystem 核link成功，这时可查看电脑的网络现实状态。

配置好IP地址后，可使用网络传输助手进行通讯。

Des_ip : c0a900010   发送端主机的IP地址  192.168.0.16

Des_mac :   发送端主机的MAC地址 00-1b-21-c2-5b-d6

Des_port :   源端口号  0800   

Eth_type :   长度类型

Src_ip ：a9fe6b02 源ip 开发板ip地址 169.254.107.2

Src_mac ：源mac地址 开发板mac地址 00-d0-08-00-00-02

Scr_port ：目的端口号 与源端口号保持一致即可

Rx_last_in ：表示一个数据包的结束

Rx_user_in：0表示接收的数据包坏的 ， 1表示接收的数据包好的

Rx_valid_in ：数据有效信号

Fifo_en ：数据有效信号

Rx_data_in ：数据信号

Rx_fifo_data ：数据信号

V. 技术发展趋势

目前的技术趋势
 

                高速化：随着通信需求的增加，以太网的传输速度也在不断提高。目前，以太网技术已经发展到了多千兆以太网（Multi-Gigabit Ethernet）和万兆以太网（10 Gigabit Ethernet）的级别。Ethernet Subsystem软核也在不断优化和升级，以支持更高的传输速度和更大的带宽需求。

硬件加速：为了满足高性能计算和数据中心的需求，以太网功能通常需要在FPGA上进行硬件加速。通过使用Ethernet Subsystem软核，设计师可以将以太网功能与其他硬件加速器和处理器系统相结合，实现更高效的数据处理和传输。

        物联网（IoT）支持：随着物联网的快速发展，对于连接性和通信能力的需求也在不断增加。Ethernet Subsystem软核可以支持物联网设备的连接和通信，提供稳定可靠的以太网通信功能，使物联网设备能够与云端和其他设备进行数据交互。

        安全性增强：随着网络安全威胁的增加，对于以太网通信的安全性要求也越来越高。Ethernet Subsystem软核在安全性方面也在不断改进，提供更强大的数据加密和身份验证功能，以保护通信数据的安全性和完整性。

        软件定义网络（SDN）支持：软件定义网络是一种新兴的网络架构，通过将网络控制平面和数据平面分离，实现网络的灵活性和可编程性。Ethernet Subsystem软核可以与SDN技术集成，提供可编程的网络功能和灵活的数据流控制。

VI. 参考文献
 

1. Xilinx Inc. "Vivado Design Suite User Guide: Creating and Packaging Custom IP". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2021_1/ug1119-vivado-creating-packaging-custom-ip.pdf

2. Xilinx Inc. "Vivado Design Suite User Guide: Using IP Catalog and IP Packager". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2021_1/ug1118-vivado-ip-catalog.pdf

3. Xilinx Inc. "Vivado Design Suite User Guide: Designing with IP". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2021_1/ug1116-vivado-ip.pdf

4. Xilinx Inc. "Vivado Design Suite User Guide: Embedded Design Using IPi". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2021_1/ug1165-vivado-embedded-design.pdf

5. Xilinx Inc. "AXI Ethernet Subsystem Product Guide". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_ethernet/v4_1/pg138-axi-ethernet.pdf

6. Xilinx Inc. "Vivado Design Suite Tutorial: Creating an Ethernet Subsystem using IP Integrator". [Online]. Available: https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2021_1/ug1114-vivado-tutorial-creating-ethernet-subsystem.pdf

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