FPGA UDP协议栈：基于88E1111，支持RGMII、GMII、SGMII三种模式，提供3套工程源码和技术支持

1、前言
- 免责声明
2、相关方案推荐
- 我这里已有的以太网方案
- 本协议栈的 1G-UDP版本
- 本协议栈的 10G-UDP版本
- 本协议栈的 25G-UDP版本
- 1G 千兆网 TCP-->服务器方案
- 1G 千兆网 TCP-->客户端方案
- 10G 万兆网 TCP-->服务器+客户端方案
3、该UDP协议栈性能
4、详细设计方案
- 设计架构框图
- 网络调试助手
- 网络PHY
- IDELAYE源语
- 1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 使用
- MAC层
- AXI4-Stream FIFO
- UDP协议栈
- IP地址修改
- UDP数据回环
5、工程源码-1-RGMII版本详解
6、工程源码-2-GMII版本详解
7、工程源码-3-SGMII版本详解
8、工程移植说明
- vivado版本不一致处理
- FPGA型号不一致处理
- 其他注意事项
9、上板调试验证并演示
- 准备工作
- 查看ARP
- UDP数据回环测试
10、福利：工程代码的获取

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。。。

本设计基于88E1111使用纯verilog实现的1G-UDP 协议栈实现1G-UDP回环通信测试，之所以只用到了数据回环模式，是因为本设计旨在为用户提供一个可任意移植修改的1G-UDP协议栈架构，用户可通过此架构任意创建自己的项目，自由度和开放性极强；基于市面上88E1111占有率较高，且该PHY支持RGMII、GMII、SGMII三种模式，适应性极强的特点，本博创建了3套vivado2022.2版本的工程源码，分别如下：
在这里插入图片描述
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；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我这里已有的以太网方案

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

本协议栈的 1G-UDP版本

本UDP协议栈支持1G、10G、25G速率，本文介绍的是1G速率在88E1111上的应用，之前写过一篇博客介绍本协议栈1G速率的应用，在1G模式下，基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了11套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx和Altera，开发工具适用于Xilinx的vivado和Altera的Quartus，网络PHY芯片支持MII、GMII、RGMII、SGMII等，对千兆网UDP网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往

本协议栈的 10G-UDP版本

本UDP协议栈支持1G、10G、25G速率，本文介绍的是1G速率在88E1111上的应用，之前写过一篇博客介绍本协议栈10G速率的应用，在10G模式下，基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了7套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx，开发工具适用于Xilinx的vivado，高速接口资源使用到了GTH、GTY、10G Ethernet PCS/PMA(10GBASE-R/KR)等，对10G UDP网络通信有需求的兄弟可以去看看：
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本协议栈的 25G-UDP版本

本UDP协议栈支持1G、10G、25G速率，本文介绍的是1G速率在88E1111上的应用，之前写过一篇博客介绍本协议栈25G速率的应用，在25G模式下，基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了1套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx，开发工具适用于Xilinx的vivado，高速接口资源使用到了GTY，对25G UDP网络通信有需求的兄弟可以去看看：
直接点击前往

1G 千兆网 TCP–>服务器方案

TCP分为服务器和客户端，两者代码是不一样的，看具体需求，既然本博客介绍的是TCP客户端，那么肯定就有TCP服务器，本来TCP服务器之前一直都有，但一直没有调通，经过两年半的练习调试，总算是调通了；TCP服务器依然是4套工程源码，我另外写了一篇博客介绍TCP服务器，感兴趣的朋友可以去看看：直接点击前往

1G 千兆网 TCP–>客户端方案

TCP分为服务器和客户端，两者代码是不一样的，看具体需求，既然本博客介绍的是TCP服务器，那么肯定就有TCP客户端，本来TCP客户端之前一直都有，但一直没有调通，经过两年半的练习调试，总算是调通了；TCP客户端依然是4套工程源码，我另外写了一篇博客介绍TCP客户端，感兴趣的朋友可以去看看：直接点击前往

10G 万兆网 TCP–>服务器+客户端方案

我这里也有10G 万兆网 TCP 方案，该方案有服务器和客户端两套代码，在Xilinx KU和KUP等平台测试通过并很稳定，对10G 万兆网 TCP 方案感兴趣的朋友可以去看看：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，目前已在RTL8211、B50610、88E1518等多款phy上成功测试，也可以用GT资源的SFP接口实现10G-UDP协议的以太网通信；支持MII、GMII、RGMII、SGMII等PHY接口；
4：时序收敛很到位；
5：动态ARP功能；
6：不带ping功能；
7：用户接口数据位宽高达64bit；
8：最高支持25G速率，本设计使用1G；

4、详细设计方案

设计架构框图

详细设计方案如下框图：
在这里插入图片描述
FPGA板卡板载88E1111，该PHY支持RGMII、GMII、SGMII三种模式，我的板子可通过跳线帽选择使用哪一种模式，共移植了3套vivado2022.2版本的工程源码，数据通路分别如下：

工程1–GRMII数据流：
PC端网络调试助手发送数据给88E1111，输出RGMII接口的数据给IDELAYE源语模块对接收数据进行延时处理，然后数据给到MAC层，经过IDDR模块将双时钟沿数据解为单时钟沿数据，再把单时钟沿数据转为AXI4-Stream数据流，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据送入UDP协议栈做以太网数据解包，解包后的数据直接回环给UDP协议栈的发送接口进行以太网封装，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据进入MAC层后，首先将AXI4-Stream数据流转换为GMII流，再经过ODDR模块将单时钟沿数据转换为双时钟沿数据，此时数据已经是RGMII流，再把数据送到88E1111后发送给PC端网络调试助手，此时网络调试助手收到了和刚刚发出去的一模一样的数据；

工程2–RMII数据流：
PC端网络调试助手发送数据给88E1111，输出GMII接口的数据给到MAC层，把GMII沿数据转为AXI4-Stream数据流，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据送入UDP协议栈做以太网数据解包，解包后的数据直接回环给UDP协议栈的发送接口进行以太网封装，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据进入MAC层后，将AXI4-Stream数据流转换为GMII流，再把数据送到88E1111后发送给PC端网络调试助手，此时网络调试助手收到了和刚刚发出去的一模一样的数据；

工程3–SGMII数据流：
PC端网络调试助手发送数据给88E1111，输出SGMII接口的数据给到1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核，该IP直接将输入的SGMII数据转换为GMII数据，然后GMII数据送入MAC层，把GMII沿数据转为AXI4-Stream数据流，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据送入UDP协议栈做以太网数据解包，解包后的数据直接回环给UDP协议栈的发送接口进行以太网封装，再经过AXI4-Stream FIFO 缓冲，数据进入MAC层后，将AXI4-Stream数据流转换为GMII流，再把数据送到1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核输出SGMII数据，再把数据送入
88E1111后发送给PC端网络调试助手，此时网络调试助手收到了和刚刚发出去的一模一样的数据；

网络调试助手

这只是一个回环测试工具，常用的Win软件，用来测试UDP数据收发；无需多言；

网络PHY

FPGA板卡板载88E1111，该PHY支持RGMII、GMII、SGMII三种模式，我的板子可通过跳线帽选择使用哪一种模式；

IDELAYE源语

这是工程1-RGMII接口特有的功能模块，目的是为接收的PHY数据进行延时和对齐，采用了 IDELAYE源语，该源语在不同的FPGA器件上略有差异，本设计中的A7、K7、Zynq用的是IDELAYE2；IDELAYE2源语需要与IDELAYCTRL一起搭配使用，需要参考时钟200M；代码部分如下：例化位置在fpga.v；
在这里插入图片描述

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 使用

这是工程3-SGMII接口特有的功能模块，1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP调用和配置如下：
在这里插入图片描述

IP主要的配置界面如上图，详细配置界面请参考工程；使用1G速率，对应的GT参考时钟必须为125M，使用SGMII接口，需对接相应的PHY，本设计使用的PHY型号为88E1111网络芯片，该IP的输入接口为SGMII，输出接口为GMII，也就是说用户接口为GMII，这就为MAC的实现带来了极大地便利；

MAC层

MAC层由verilog代码实现，没有使用任何IP，但是用到了相关源语，Xilinx系列FPGA为IDDR、ODDR；Altera系列FPGA为 altddio_in、altddio_out；MAC层实现的功能有两个，一是对PHY侧的数据进行处理，接收端为双时钟沿数据解为单时钟沿数据并对齐，发送则相反，这个功能是三套工程都有的；二是实现PHY侧和用户侧的数据格式转换并进行CRC8校验，接收端为将PHY侧的并行数据转换为用户侧的AXI4-Stream数据流，发送则相反，这个功能是工程1特有的；代码位置如下：
在这里插入图片描述

AXI4-Stream FIFO

网络数据经过MAC层以后，输出的是AXI4-Stream数据流，如果直接将数据送入UDP协议栈，有数据冲突的风险，为了降低这种风险，使用纯verilog实现的AXI4-Stream FIFO作为缓冲，在MAC层与UDP协议栈之间建立“桥梁”，MAC层解析出来的例如原MAC地址、目的MAC地址等信息也通过AXI4-Stream FIFO转发；AXI4-Stream FIFO代码位置如下：
在这里插入图片描述

UDP协议栈

UDP协议栈的功能就是用verilog硬件描述语言完成标准UDP协议；它由动态ARP层、IP层、UDP层构成，动态ARP层完成ARP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取ARP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成ARP协议的数据帧，作为以太网数据帧的ARP数据段；代码中设置了ARP动态缓存，即arp_cache，收发两端都进行crc校验；

IP层完成IP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取IP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成IP协议的数据帧，作为以太网数据帧的IP数据段；IP层与动态ARP层是数据交互的，模块相互包含，代码架构无法明显划分；

UDP层完成UDP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取UDP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成UDP协议的数据帧，作为以太网数据帧的UDP数据段；IP层与动态ARP层是数据交互的，模块相互包含，代码架构无法明显划分；UDP层会对UDP数据做前后检验；

UDP协议栈架构封装后代码位置如下：
在这里插入图片描述
UDP协议栈是直接与用户逻辑数据对接的接口，所以对于FPGAS开发者而言，只要知道了UDP协议栈的数据接口，就能在用户侧编写与之对接的时序来控制数据收发，UDP协议栈的接口时序为AXI4-Stream，时序如下：

   发送端时序如下：
                                __    __    __    __    __    __    __
    clk                      __/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__
                             ______________                    ___________
    s_eth_hdr_valid                         \_________________/
                                       _____ 
    s_eth_hdr_ready           ________/     \_____________________________
                                       _____
    s_eth_dest_mac            XXXXXXXXX_DMAC_XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
                                       _____
    s_eth_dest_mac            XXXXXXXXX_SMAC_XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
                                       ___________ _____ _____
    s_eth_payload_axis_tdata  XXXXXXXXX_A0________X_A1__X_A2__XXXXXXXXXXXX
                                       _______________________
    s_eth_payload_axis_tvalid ________/                       \___________
                                             _________________
    s_eth_payload_axis_tready ______________/                 \___________
                                                         _____
    s_eth_payload_axis_tlast  __________________________/     \___________

    s_eth_payload_axis_tuser  ____________________________________________
	
	接收端时序与发送端一样；

IP地址修改

FPGA与PC通信而言，FPGA作为UDP服务器，PC作为UDP客户端，需要在FPGA代码里设置MAC、IP等配置信息，这是UDP通信的重要信息，开发者至少需要知道该部分代码的位置，甚至根据自己的需要修改，代码的位置如下：
在这里插入图片描述
可以看到，我这里的配置如下：
FPGA开发板MAC地址：02-00-00-00-00-00；
FPGA开发板IP地址：192.168.1.128；
FPGA开发板网关：192.168.1.1；
FPGA开发板子网掩码：255.255.255.0；
那么PC端的IP地址应该设为多少呢？
因为在回环代码里写成了发送的目的IP=接收到的目的IP，所以只需要在PC端设置与192.168.1.128网段一样的IP地址即可，比如我在测试时设置PC端IP地址为：192.168.1.10；如下：
在这里插入图片描述
当然，你也可以配置为192.168.1.11、192.168.1.12、192.168.1.100等等；
默认的FPGA开发板和PC端的端口号都是1234；代码的位置如下：

这部分代码位于fpga_core.v；

UDP数据回环

之所以只用到了数据回环模式，是因为本设计旨在为用户提供一个可任意一直修改的UDP协议栈架构，用户可通过此架构任意创建自己的项目，自由度和开放性极强；使用一个纯verilog实现的AXI4-Stream FIFO来做数据回环操作，因为UDP协议栈的用户数据接口正是AXI4-Stream数据流，代码的位置如下：
在这里插入图片描述
代码里直接用assign语句将AXI4-Stream FIFO的收发两端连接，如下：

AXI4-Stream FIFO配置为了8192，如果你的FPGA逻辑资源较小，配置为1024就可以了；
这部分代码位于fpga_core.v；

5、工程源码-1-RGMII版本详解

开发板FPGA型号：Xilinx Kintex 7 XC7K325–xc7k325tffg900-2；
开发环境：Vivado 2022.2；
网络PHY：88E1111，RGMII接口，千兆网；
输入\输出：UDP 网络通信；
测试项：数据回环收发；
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；

6、工程源码-2-GMII版本详解

开发板FPGA型号：Xilinx Kintex 7 XC7K325–xc7k325tffg900-2；
开发环境：Vivado 2022.2；
网络PHY：88E1111，GMII接口，千兆网；
输入\输出：UDP 网络通信；
测试项：数据回环收发；
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；

7、工程源码-3-SGMII版本详解

开发板FPGA型号：Xilinx Kintex 7 XC7K325–xc7k325tffg900-2；
开发环境：Vivado 2022.2；
网络PHY：88E1111，SGMII接口，千兆网；
输入\输出：UDP 网络通信；
测试项：数据回环收发；
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；

8、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：
在这里插入图片描述

更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

9、上板调试验证并演示

准备工作

需要准备以下物品：
1：FPGA开发板；
2：网线；
3：上位机电脑，台式或笔记本；
4：网络调试助手；
以vivado工程1为例进行上板调试；
连接如下，然后上电下载bit：
在这里插入图片描述
首先设置电脑端IP如下：

开发板的IP地址在代码中的设置如下，在fpga_core.v里，可以自由修改：