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 |
| 类型/长度 2byte |
| 小于1536表示长度， |
| 大于1536表示类型 arp:16'h0806 , ip: 16'h0800 |
| 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
);
endmodulemac_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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