目录

一.UDP简介

1.1UDP概述

1.2UDP协议

二.实验任务

三.模块设计

3.1总体模块设计

3.2UDP模块设计

3.2.1udp_rx模块设计

3.2.2udp_tx模块设计

四.板级验证 

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一.UDP简介

1.1UDP概述

1.2UDP协议

        可以看出UDP和ICMP在以太网帧里面的位置一样。

二.实验任务

         本节实验任务是上位机通过网口调试助手发送数据给 FPGA，FPGA 通过以太网接口接收数据并将接收到的数据发送给上位机，完成以太网 UDP 数据的环回。同时电脑可以通过命令行窗口发送 ping 命令给 FPGA，FPGA 通过以太网接口接收数据并将接收到的数据发送给电脑，完成以电脑 ping 开发板的实验测试。

三.模块设计

3.1总体模块设计

PLL模块：因为gmii_to_rgmii模块中的输入延时控制IDELAYCTRL中需要用到PLL倍频输出的200MHZ时钟。

FIFO模块：以太网单次会接收到大量数据，因此本次实验需要一个 FIFO 模块用来缓存数据，由于本次实验所使用的 GMII 接收时钟和 GMII 发送时钟实际上为同一个时钟，但是为了方便后面实验因此这里使用的是异步 FIFO。 

arp模块：根据arp协议对接收数据进行解析，并按照arp协议格式发送报文。

icmp模块：根据icmp协议对接收数据进行解析，并按照icmp协议格式发送报文。

udp模块：根据udp协议对接收数据进行解析，并按照udp协议格式发送报文。

rth_ctrl模块：因为arp、icmp、udp模块的数据不能同时进入FIFO缓存，因此该模块控制选择此3个模块中的某一个缓存进入FIFO。

3.2UDP模块设计

         这里模块设计思路和ICMP实验中一样。

3.2.1udp_rx模块设计

3.2.1.1整体模块设计图

 3.2.1.2波形图

               gmii_rx_dv:当复位信号rst_n拉高后，该信号在下一个脉冲来临时也拉高，代表为 GMII 输入数据有效信号，然后gmii_rxd[7:0]开始输入以太网报文。

               rec_en:当接收数据到下图中的蓝色数据段时，rec_en开始拉高，rec_data就是下图中的蓝色用户数据。

 3.2.1.3状态转换图

           整体与icmp实验完全一样。注意：在中间状态如前导码错误、MAC 地址错误、协议类型错

3.2.1.4代码+仿真波形解析

3.2.1.4.1空闲状态

         空闲状态下，gmii_rx_dv为高电平，并且gmii_rxd传入一个8位55信号，代表要开始接收以太网报文，因此跳转至下一状态。

         仿真时，将gmii_tx_en赋值给gmii_tx_en，代表仿真时udp模块中的接收数据和发送数据是同步进行的。

         下图中的仿真波形的红色代表该空闲状态下的波形。

    

3.2.1.4.2接收前导码状态

           根据以太网帧报文格式，接收7个8‘h55+1个18'hd5。因为空闲状态下已经接收一个8’h55,因此这里只接收 6个8‘h55+18'hd5即可。只要任何一个8位数据出错，就发出error信号，停止接收。

           仿真时 发送的数据就是接收的数据。

3.2.1.4.3接收以太网帧头状态

                该状态下接收6Byte目的MAC地址+6Byte源MAC地址+2Byte以太网协议类型。并判断目的MAC地址和以太网类型协议是否有误，因为该实验是UDP测试（UDP位于IP协议中）实验，若协议类型例如 0x0800 代表 IP 协议（网际协议）、0x0806 代表 ARP 协议（地址解析协议）。

               由仿真波形可知，接收的目的MAC地址为ffffff(广播类型），接收的以太网协议为0800，均无误。 

3.2.1.4.4 接收IP首部状态

         该段代码作用有二，第一判断协议类型是icmp还是udp， ICMP 为 1 ， TCP 为6， UDP 为 17 ，若不是则发出error信号。第二是判断目的IP地址是否为开发板的IP，若不是则发出error信号，终止接收数据。

       结合前面状态整合下来就是判断报文是不是IP协议，是进一步判断是不是UDP协议，还有目的MAC地址和IP地址。

      当仿真位于cnt=0时，5X4=20，故gmii_rxd=20。

     当仿真位于cnt=9时，gmii_rxd=17,结合icmp实验中的 ICMP 为 1 ， TCP 为6， UDP 为 17，可知该报文数据是UDP协议。 

 由仿真图可知，发送的目的IP地址为192.168.1.10和开发板的IP保持一致，des_ip是16进制的目的IP。

 3.2.1.4.5接收UDP首部状态

               该状态主要是获取 蓝色数据段的长度，根据仿真波形图可以看出，接收到的UDP长度为18，而UDP首部长度为8，18-8=10.

3.2.1.4.6接收数据段状态

         该状态的作用有二，第一将接收到的数据暂存起来，第二暂存接收的数据段长度

         由仿真波形可知，一共接收了10个数据，故长度为10.当接收完毕后，代表一包以太网数据接收完，故rec_pkt_done拉高。 

 3.2.1.4.7终止状态

            该状态作用是接收填充数据段和crc校验码，因为上面数据段共10个，还需填充8个，紧接着是crc校验码，以上全部接收完毕则跳转至空闲状态。 

3.2.2udp_tx模块设计

3.2.2.1整体模块设计图

 3.2.2.2波形图

              tx_start_en：当复位信号拉高后，该信号持续一个脉冲，表示可以开始发送以太网数据 。

              gmii_tx_en:为 GMII 输出数据有效信号，gmii_txd 为 GMII 输出数据，当 gmii_tx_en 信号拉高，GMII 开始发送数据，当 gmii_tx_en 信号拉低表示数据发送完成。

              tx_req:表示从fifo中读数据请求。

              tx_done: 为以太网发送完成信号，当一包数据发送完成后且 CRC 校验完成后，tx_done 会拉高一个时钟周期，表示 UDP 发送完成。

3.2.2.3状态转换图

          同ICMP实验中的一样，只不过少了DCP首部和数据校验状态。 

3.2.2.4代码+仿真波形分析

3.2.2.4.1起始信号

           因为tx_start_en是异步信号，它来自udp_rx模块中的rec_pkt_done信号，这里捕捉它的上升沿变信号，因此需要对其打三拍。

 仿真文件中激励信号如下，代表清零信号消失后将tx_start_en拉高，并设置发送数据的字节数为10.

仿真波形如下。

3.2.2.4.2寄存各段长度

                以上代码的作用是依次计算出下图中的蓝色模块长度、绿色模块长度、紫色模块长度。

                         由下面仿真模型可知，10+28=38，10+8=18，仿真正确。 

3.2.2.4.3空闲状态

                         

                           该段代码作用有三。第一：按照上面两个表格将IP首部和UDP首部更新到变量ip_head中。第二：若arp包发来的目的ip地址有更新，则将IP更新到ip_head[4]中。第三：若目的MAC地址有更新，则将MAC新值更新到eth_head值中。若无更新，则采用默认值。

                          由于以上两个变量是中间变量，并非该模块的输入输出信号，故无仿真波形。

3.2.2.4.4IP首部校验模块

                       以上代码作用，将IP首部数据累加，累加和有进位继续累加，直至没有进位，将和按位取反，即可得校验值。

 3.2.2.4.5发送前导码

3.2.2.4.6发送MAC帧头

     包含6Byte目的MAC地址+6Byte源MAC地址+2Byte以太网协议类型。

      仿真波形中1是目的MAC，2是源MAC，3是IP协议类型。

3.2.2.4.7发送IP首部+UDP首部

             该状态作用有二。第一发送IP首部+UDP首部。第二提前两个clk将向FIFO中读数据请求信号拉高。因为有时序延迟。

 仿真波形中的1相当于发送了上面表格的第一行；2相当于发送了表格中第二行数据；3相当于发送表格中第三行数据，4相当于发送了表格中第四行数据。

 

上面仿真波形中的1、2、3相当于依次发送了上面两个表格中的数据。

注意3中的tx_req，只有提前将该信号拉高，下面一个状态才能准时从FIFO中读取数据发送出去。

 3.2.2.4.8发送数据段

              该状态下，gmii_txd一直等于tx_data，只不过赋值区间在由别的计数器控制。当实际发送数据个数<18，则由real_tx_data_num=18控制，当实际发送个数大于18，则由data_cnt计数器控制。

       有下面仿真波形图可知，当发送完10个数据时，提前将tx_req拉低。并且剩余8个数据填充aa。

四.板级验证 

            首先设置PC端的IP地址如下。

   然后打开抓包工具wireshark，用于捕捉PC端和开发板发送的以太网报文。

      紧接着打开正点原子的网口调试工具，向开发板发送10个字节的数据。

         上图中1是第一次发送的报文，只发送了01.

         2是第二次发送的报文，发送了10个数据。

         3表示发送的报文包数。

         4表示总共发送的数据个数。

         5表示总共接收的数据个数。

         此时打开抓包工具，找到ARP协议

            1中代表电脑向开发板发送的ARP请求，2表示开发板向电脑回馈的ARP应答包含开发板自身的MAC地址。

1中代表电脑向开发板发送UDP协议报文，2表示开发板向电脑环回UDP协议报文。

3中表示端口号和校验码，4中表示发送的10个数据分别是01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 

            上图展示的是开发板返回电脑端的报文数据，可以看出还回数据中 不足18字节，这里自动补充了8个数据。

          再次发送报文，只不过这次发送20个数据。

  上图中显示当发送数据大于18个，则不会再填充额外的数据。 

         上图显示ICMP通信正常。