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FPGA - 以太网UDP通信（二）

作者：你好赵伟 | 2024-04-19 23:41:19

踩

FPGA - 以太网UDP通信（二）

一，引言

前文链接：FPGA - 以太网UDP通信（一）

在上文章中介绍了以太网简介，以太网UDP通信硬件结构，以及PHY芯片RGMII接口-GMII接口转换逻辑，接下来介绍UDP通信结构框图以及数据链路层（MAC层）接受发送逻辑。

二，以太网UDP通信结构框图

在上一篇文章中介绍了以太网UDP通信组包过程图：

可以看到用户数据通过UDP层添加udp头部，然后经过IP层添加ip头部，在经过数据链路层（MAC层）添加mac头部，送到PHY芯片物理层。一步步完成组包发送过程。同样的，从PHT芯片输出的数据经过MAC层，IP层，UDP层一步步完成解包校验过程。因此根据此思路画出简易结构框图如下：

在上篇文章中实现了rgmii_interface（rgmii_receive和rgmii_send）模块,接下来实现mac_layer（mac_receive和mac_send）模块。

三，数据链路层（MAC层）

MAC不是物理层，MAC层是数据链路层的两个子层之一。

以太网V2的MAC帧格式：

------------------------------------- mac数据包头 22byte -------------------------------------

| 前导码（前同步码） 7 byte |
| 8'h55 |

| SFD（帧开始定结符） 1byte |
| 8'hd5 |

| 目的mac地址 6byte |

| 源mac地址 6byte |

| 数据 46-1500byte |

| FCS（帧校验序列CRC） 4byte |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

四，MAC层代码设计

在上面的结构框图中，可以看到，mac_layer中包括mac_receive和mac_send模块。

---------------------------------------------------------- 思路 ------------------------------------------------------------

1，在MAC帧格式中，最后4byte 是FCS（帧校验序列CRC）， 所以在接受和发送过程中必须把帧校验序列前面的数据存储（fifo）起来，等到CRC校验完成，再进行数据传输。

2，在以太网UDP通信中，用户端数据传输是在用户时钟下进行的，而PHY芯片数据传输是在PHY芯片的时钟下进行的。所以在这里我们要做一个跨时钟域的处理。

3，跨时钟域处理：在多bit信号跨时钟域中常常使用异步fifo来处理，但如何很好的设计这一处理过程呢？在这里我们进行双fifo跨时钟域（其实在之前文章中也用过这样的处理方式）。

首先第一个是数据fifo，缓存有效数据+last数据（用来指示有效数据的最后一个数据）

其次第二个是控制fifo，缓存数据对应的地址，长度，类型.....（在mac_layer中缓存的是帧类型和CRC校验结果）

然后判断fifo非空(rdemoty信号为低)，就把有效数据和控制信息从fifo里面读出来，

控制fifo的读使能rden只需要拉高一拍，数据fifo读使能rden要一直拉高，直到读出来最后一个数据，通过判断读出来的last信号，来拉低rden。

4，CRC校验

5，如何准确有效的进行数据组包，解包校验呢？

设置计数器，接受端设置rx_cnt，发送端设置tx_cnt。用计数器控制组包解包校验过程。

下图是mac_lay层的结构框图：

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

五，MAC层代码编写

CRC32校验：

CRC校验


`timescale 1ns / 1ps
 
module crc32_d8(
	input				clk,
	input               reset,
 
	input               crc_din_vld,
	input   [7:0]       crc_din    ,
	input               crc_done   ,
	output  [31:0]      crc_dout   
 
    );
 
wire [7:0]  crc_din_r;
reg  [31:0] crc_dout_r;
wire [31:0] crc_data;
 
assign crc_din_r = {crc_din[0],crc_din[1],crc_din[2],crc_din[3],crc_din[4],crc_din[5],crc_din[6],crc_din[7]};
assign crc_dout  = ~{crc_dout_r[0],crc_dout_r[1],crc_dout_r[2],crc_dout_r[3],crc_dout_r[4],crc_dout_r[5],crc_dout_r[6],crc_dout_r[7],
                    crc_dout_r[8],crc_dout_r[9],crc_dout_r[10],crc_dout_r[11],crc_dout_r[12],crc_dout_r[13],crc_dout_r[14],crc_dout_r[15],
                    crc_dout_r[16],crc_dout_r[17],crc_dout_r[18],crc_dout_r[19],crc_dout_r[20],crc_dout_r[21],crc_dout_r[22],crc_dout_r[23],
                    crc_dout_r[24],crc_dout_r[25],crc_dout_r[26],crc_dout_r[27],crc_dout_r[28],crc_dout_r[29],crc_dout_r[30],crc_dout_r[31]
                    };
 
assign crc_data[0] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[1] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[2] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[3] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[4] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[5] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[6] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[7] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[8] = crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[0] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28];
assign crc_data[9] = crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[1] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29];
assign crc_data[10] = crc_din_r[5] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[2] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[29];
assign crc_data[11] = crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[3] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28];
assign crc_data[12] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[4] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[13] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[5] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[14] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_dout_r[6] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[15] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_dout_r[7] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[16] = crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[8] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29];
assign crc_data[17] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[9] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[18] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[2] ^ crc_dout_r[10] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[19] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[3] ^ crc_dout_r[11] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[20] = crc_din_r[4] ^ crc_dout_r[12] ^ crc_dout_r[28];
assign crc_data[21] = crc_din_r[5] ^ crc_dout_r[13] ^ crc_dout_r[29];
assign crc_data[22] = crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[14] ^ crc_dout_r[24];
assign crc_data[23] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[1] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[15] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[24] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[2] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[16] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[25] = crc_din_r[3] ^ crc_din_r[2] ^ crc_dout_r[17] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[27];
assign crc_data[26] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[3] ^ crc_din_r[0] ^ crc_dout_r[18] ^ crc_dout_r[24] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[27] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[4] ^ crc_din_r[1] ^ crc_dout_r[19] ^ crc_dout_r[25] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[28] = crc_din_r[6] ^ crc_din_r[5] ^ crc_din_r[2] ^ crc_dout_r[20] ^ crc_dout_r[26] ^ crc_dout_r[29] ^ crc_dout_r[30];
assign crc_data[29] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[6] ^ crc_din_r[3] ^ crc_dout_r[21] ^ crc_dout_r[27] ^ crc_dout_r[30] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[30] = crc_din_r[7] ^ crc_din_r[4] ^ crc_dout_r[22] ^ crc_dout_r[28] ^ crc_dout_r[31];
assign crc_data[31] = crc_din_r[5] ^ crc_dout_r[23] ^ crc_dout_r[29];
 
always @(posedge clk) begin
    if (reset) 
        crc_dout_r <= 32'hffffffff;
    else if (crc_done) 
        crc_dout_r <= 32'hffffffff;
    else if (crc_din_vld)
 		crc_dout_r <= crc_data;
    else 
    	crc_dout_r <= crc_dout_r; 
end
 
endmodule

mac_receive

mac_receive代码：


//功能 ：  ①完成校验，将有效数据和MAC头部分离出来
//        ②跨时钟域
// -----------------------------------------------------------------------------
`timescale 1ns / 1ps
 
module mac_receive #(
	parameter	LOCAL_MAC_ADDR = 48'hffffff_ffffff,
	parameter   CRC_CHACK_EN   = 1
)(
	input								clk             , //用户接受端时钟
	input                               phy_rx_clk      , //phy芯片提供的时钟
	input                               reset            , //用户端复位信号
	input                               phy_rx_reset     , //phy接受端复位
  
	/*-------rgmii_recive模块交互的信号----------------*/
	input                               gmii_rx_data_vld ,
	input       [7:0]                   gmii_rx_data     ,
	/*-------mac_to_arp_ip模块交互的信号----------------*/	
	output  reg                         mac_rx_data_vld  ,
	output  reg                         mac_rx_data_last ,
	output  reg [7:0]                   mac_rx_data      ,
	output  reg [15:0]                  mac_rx_frame_type,
	/*-------rx_crc32_d8模块交互的信号----------------*/	   
	output  reg 					    rx_crc_din_vld   ,
	output  reg [7:0]                   rx_crc_din       ,
	output  reg                         rx_crc_done      ,
	input       [31:0]                  rx_crc_dout         
    );
    
endmodule

mac_send

mac_send代码：


//功能    ① 完成crc校验 mac头部 有效数据 crc校验 ...等组包
//        ② 跨时钟域 
// -----------------------------------------------------------------------------
`timescale 1ns / 1ps
module mac_send #(
	parameter	LOCAL_MAC_ADDR  = 48'hffffff_ffffff,
	parameter   TARGET_MAC_ADDR = 48'hffffff_ffffff	
 
)(
	input								clk             , //用户发送端时钟
	input                               phy_tx_clk      , 
 
	input                               reset            , 
	input                               phy_tx_reset     , 
  
	/*-------rgmii_send模块交互的信号----------------*/
	output  reg                         gmii_tx_data_vld ,
	output  reg [7:0]                   gmii_tx_data     ,
 
	/*-------ip_send模块交互的信号--------------------*/	
	input                               mac_tx_data_vld  ,
	input                               mac_tx_data_last ,
	input       [7:0]                   mac_tx_data      ,
	input       [15:0]                  mac_tx_frame_type,
	input       [15:0]                  mac_tx_length    ,
 
	/*-------tx_crc32_d8模块交互的信号----------------*/	   
	output  reg 					    tx_crc_din_vld   ,
	output      [7:0]                   tx_crc_din       ,
	output  reg                         tx_crc_done      ,
	input       [31:0]                  tx_crc_dout    	
 
    );
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
endmodule

顶层设计

mac层分别实现了接收和发送两部分，将两部分例化封装顶层mac_layer：


`timescale 1ns / 1ps
 
module mac_layer #(
	parameter	LOCAL_MAC_ADDR  = 48'hffffff_ffffff   ,
	parameter   TARGET_MAC_ADDR = 48'hffffff_ffffff	,	
	parameter   CRC_CHACK_EN    = 1                
 
)(
	input                               app_tx_clk       ,
	input                               app_rx_clk       ,
	input                               phy_tx_clk       , 
	input                               phy_rx_clk       , 	
 
	input                               app_tx_reset     ,
	input                               app_rx_reset     ,
	input                               phy_tx_reset     , 
	input                               phy_rx_reset     , 
 
	input                               gmii_rx_data_vld ,
	input       [7:0]                   gmii_rx_data     ,
	output                              gmii_tx_data_vld ,
	output      [7:0]                   gmii_tx_data     ,	
 
	output                              mac_rx_data_vld  ,
	output                              mac_rx_data_last ,
	output      [7:0]                   mac_rx_data      ,
	output      [15:0]                  mac_rx_frame_type,		
 
	input                               mac_tx_data_vld  ,
	input                               mac_tx_data_last ,
	input       [7:0]                   mac_tx_data      ,
	input       [15:0]                  mac_tx_frame_type,
	input       [15:0]                  mac_tx_length    
 
    );
 
 
 
 
	wire        tx_crc_din_vld;
	wire  [7:0] tx_crc_din    ;
	wire        tx_crc_done   ;
	wire [31:0] tx_crc_dout   ;
 
	wire        rx_crc_din_vld;
	wire  [7:0] rx_crc_din    ;
	wire        rx_crc_done   ;
	wire [31:0] rx_crc_dout   ;
 
 
	mac_send #(
			.LOCAL_MAC_ADDR(LOCAL_MAC_ADDR),
			.TARGET_MAC_ADDR(TARGET_MAC_ADDR)
		) mac_send (
			.clk               (app_tx_clk),
			.phy_tx_clk        (phy_tx_clk),
 
			.reset             (app_tx_reset),
			.phy_tx_reset      (phy_tx_reset),
 
			.gmii_tx_data_vld  (gmii_tx_data_vld),
			.gmii_tx_data      (gmii_tx_data),
 
			.mac_tx_data_vld   (mac_tx_data_vld),
			.mac_tx_data_last  (mac_tx_data_last),
			.mac_tx_data       (mac_tx_data),
			.mac_tx_frame_type (mac_tx_frame_type),
			.mac_tx_length     (mac_tx_length),
 
			.tx_crc_din_vld    (tx_crc_din_vld),
			.tx_crc_din        (tx_crc_din),
			.tx_crc_done       (tx_crc_done),
			.tx_crc_dout       (tx_crc_dout)
		);
 
	mac_receive #(
			.LOCAL_MAC_ADDR(LOCAL_MAC_ADDR),
			.CRC_CHACK_EN  (CRC_CHACK_EN)
		) mac_receive (
			.clk               (app_rx_clk),
			.phy_rx_clk        (phy_rx_clk),
 
			.reset             (app_rx_reset),
			.phy_rx_reset      (phy_rx_reset),
 
			.gmii_rx_data_vld  (gmii_rx_data_vld),
			.gmii_rx_data      (gmii_rx_data),
 
			.mac_rx_data_vld   (mac_rx_data_vld),
			.mac_rx_data_last  (mac_rx_data_last),
			.mac_rx_data       (mac_rx_data),
			.mac_rx_frame_type (mac_rx_frame_type),
 
			.rx_crc_din_vld    (rx_crc_din_vld),
			.rx_crc_din        (rx_crc_din),
			.rx_crc_done       (rx_crc_done),
			.rx_crc_dout       (rx_crc_dout)
		);
 
	crc32_d8 tx_crc32_d8
		(
			.clk         (phy_tx_clk),
			.reset       (phy_tx_reset),
 
			.crc_din_vld (tx_crc_din_vld),
			.crc_din     (tx_crc_din),
			.crc_done    (tx_crc_done),
			.crc_dout    (tx_crc_dout)
		);
 
	crc32_d8 rx_crc32_d8
		(
			.clk         (phy_rx_clk),
			.reset       (phy_rx_reset),
 
			.crc_din_vld (rx_crc_din_vld),
			.crc_din     (rx_crc_din),
			.crc_done    (rx_crc_done),
			.crc_dout    (rx_crc_dout)
		);
 
 
 
endmodule

六，总结

至此，我们完成了以太网发送过程中最底层，也是最重要的部分MAC层的发送与接受。关于本节中的CRC校验部分没有过多介绍，这部分可通过CRC生成网页来生成CRC校验代码。

接下来，在下一篇博客中将会实现ip层的接收与发送。

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