通信协议之ARP的FPGA实现其一

介绍
ARP 协议分为 ARP 请求和 ARP 应答，源主机发起查询目的 MAC 地址的报文称为 ARP 请求，目的主机响应源主机并发送包含本地 MAC 地址的报文称为 ARP 应答。当主机需要找出这个网络中的另一个主机的物理地址时，它就可以发送一个 ARP 请求报文，这个报文包含了发送方的 MAC 地址和 IP 地址以及接收方的 IP 地址。因为发送方不知道接收方的物理地址，所以这个 查 询 分 组 会 在 网 络 层 中 进 行 广 播 ， 即 ARP 请 求 时 发 送 的 接 收 方 物 理 地 址 为 广 播 地 址 ， 用48’hff_ff_ff_ff_ff_ff 表示。

上图中的主机 A 发起 ARP 请求，由于发送的目的 MAC 地址为广播地址，所以此时局域网中的所有主机都会进行接收并处理这个 ARP 请求报文，然后进行验证，查看接收方的 IP 地址是不是自己的地址。是则返回 ARP 应答报文，不是则不响应。只有验证成功的主机才会返回一个 ARP 应答报文，这个应答报文包含接收方的 IP 地址和物理地址。
主机 B 利用收到的 ARP 请求报文中的请求方物理地址，以单播的方式直接发送给主机 A，主机 A 将收到的 ARP 应答报文中的目的 MAC 地址解析出来，将目的 MAC 地址和目的 IP 地址更新至 ARP 缓存表中。当再次和主机 A 通信时，可以直接从 ARP 缓存表中获取，而不用重新发起 ARP 请求报文。需要说明的是，ARP 缓存表中的表项有过期时间（一般为 20 分钟），过期之后，需要重新发起 ARP 请求以获取目的 MAC地址。

在以太网中数据包的传输格式MAC帧如下所示，
MAC帧：前导码（7Byte) , SFD(1Byte） ，以太网帧头（14Byte), 数据段（46-1500 Byte) , FCS (4Byte)

ARP与常规MAC的区别在于 数据段的信息是 （28Byte的ARP数据＋18Byte的填充数据共同组成了整个数据段）

前导码 ： 为了实现底层数据的正确阐述，使用7个字节的同步码0x55_55_55_55 … 0x55 — 01010101
SFD (Start Frame Delimiter) : 固定0xd5作为一帧的开始
目的MAC地址 ： （接收端物理的MAC地址）MAC 地址从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址：第一个字节的最低位为 0，比如 00-00-00-11-11-11，一般用于标志唯一的设备；组播地址：第一个字节的最低位为 1，比如 01-00-00-11-11-11，一般用于标志同属一组的多个设备；广播地址：所有 48bit 全为 1，即 FF-FF-FF-FF-FF-FF，它用于标志同一网段中的所有设备。
源MAC地址 ： 发送端物理 MAC 地址，占用 6 个字节。
长度/类型：当这两个字节的值小于 1536（十六进制为 0x0600）时，代表该以太网中数据段的长度；如果这两个字节的值大于 1536，则表示该以太网中的数据属于哪个上层协议，例如 0x0800 代表 IP 协议（网际协议）、0x0806 代表 ARP 协议（地址解析协议）等。
数据：以太网中的数据段长度最小 46 个字节，最大 1500 个字节。
帧检验序列（FCS，Frame Check Sequence）：为了确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了 4 个字节的循环冗余校验码（CRC 校验）来检测数据是否传输错误。
在这里还有一个要注意的地方就是以太网相邻两帧之间的时间间隔，即帧间隙（IFG，Interpacket Gap）。帧间隙的时间就是网络设备和组件在接收一帧之后，需要短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备的时间，IFG 的最小值是 96 bit time，即在媒介中发送 96 位原始数据所需要的时间，在不同媒介中 IFG 的最小值是不一样的。不管 10M/100M/1000M 的以太网，两帧之间最少要有 96bit time，IFG 的最少间隔时间计算方法如下：
10Mbit/s 最小时间为：96100ns = 9600ns；
100Mbit/s 最小时间为：9610ns = 960ns；
1000Mbit/s 最小时间为：96*1ns = 96ns。

硬件类型（Hardware type）：硬件地址的类型，1 表示以太网地址。
协议类型（Protocol type）：要映射的协议地址类型，ARP 协议的上层协议为 IP 协议，因此该协议类型为 IP 协议，其值为 0x0800。硬件地址长度（Hardware size）：
硬件地址（MAC 地址）的长度，以字节为单位。对于以太网上 IP 地址的 ARP 请求或者应答来说，该值为 6。
协议地址长度（Protocol size）：IP 地址的长度，以字节为单位。对于以太网上 IP 地址的 ARP 请求或者应答来说，该值为 4。（IP地址常用10进制表示）
OP（Opcode）：操作码，用于表示该数据包为 ARP 请求或者 ARP 应答。1 表示 ARP 请求，2 表示 ARP应答。
源 MAC 地址：发送端的硬件地址。
源 IP 地址：发送端的协议（IP）地址，如 192.168.1.102。
目的 MAC 地址：接收端的硬件地址，在 ARP 请求时由于不知道接收端 MAC 地址，因此该字段为广播地址，即 48’hff_ff_ff_ff_ff_ff。
目的 IP 地址：接收端的协议（IP）地址，如 192.168.1.10。

RGMII（Reduced GMII）：RGMII 是 GMII 的简化版，数据位宽为 4 位，在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz，在时钟的上下沿同时采样数据。在 100Mbps 和 10Mbps 通信速率下，为单个时钟沿采样。在 千 兆 以太 网 中 ，常 用 的接 口 为 RGMII 和 GMII 接 口。 RGMII 接口的 优 势 是同 时 适 用 于10M/100M/1000Mbps 通信速率，同时占用的引脚数较少。但 RGMII 接口也有其缺点，就是在 PCB 布线时需要尽可能对时钟、控制和数据线进行等长处理，且时序约束相对也更为严格。

下面介绍一下 传输管脚的分配形式

ETH_RXC：接收数据参考时钟，1000Mbps 速率下，时钟频率为 125MHz，时钟为上下沿同时采样；
100Mbps 速率下，时钟频率为 25MHz；10Mbps 速率下，时钟频率为 2.5MHz，ETH_RXC 由 PHY 侧提供。
ETH_RXCTL（ETH_RX_DV）：接收数据控制信号。
ETH_RXD：四位并行的接收数据线。
ETH_TXC：发送参考时钟，1000Mbps 速率下，时钟频率为 125MHz，时钟为上下沿同时采样；100Mbps
速率下，时钟频率为 25MHz；10Mbps 速率下，时钟频率为 2.5MHz，ETH_TXC 由 MAC 侧提供。
ETH_TXCTL（ETH_TXEN）：发送数据控制信号。
ETH_TXD：四位并行的发送数据线。
ETH_RESET_N：芯片复位信号，低电平有效。
ETH_MDC：数据管理时钟（Management Data Clock），该引脚对 ETH_MDIO 信号提供了一个同步的
时钟。
ETH_MDIO：数据输入/输出管理（Management Data Input/Output），该引脚提供了一个双向信号用于传
递管理信息。
RGMII 使用 4bit 数据接口，在 1000Mbps 通信速率下，ETH_TXC 和 ETH_RXC 的时钟频率为 125Mhz，采用上下沿 DDR（Double Data Rate）的方式在一个时钟周期内传输 8 位数据信号，即上升沿发送/接收低 4位数据，下降沿发送/接收高 4 位数据。
接下来我们用ETH_TXC时钟频率125Mhz ，采用上下沿DDR（double data rate) ,在一个周期内传输8位数据信号，上升沿发送低4位，下降沿发送高4位。
ETH_TXCTL 同样采用 DDR的方式传递2位控制信号，上升沿发送使能信号TX_EN ,下降沿发送使能信号与错误信号的异或值，（TX_ERR xor TX_EN）。 当TX_EN 为高表示数据有效，TX_ERR为低表示数据无效，只有当ETH_RXCTL上下沿同时为高时，数据才有效正确。
当 RGMII 工作在 100Mbps 时，ETH_TXC 和 ETH_RXC 的时钟频率为 25Mhz，采用上升沿 SDR 的方
式在一个周期内传输 4 位数据。不过此时 ETH_TXCTL 和 ETH_RXCTL 控制信号仍采用上下沿 DDR 的传
输方式。
当 RGMII 工作在 10Mbps 时，ETH_TXC 和 ETH_RXC 的时钟频率为 2.5Mhz，采用上升沿 SDR 的方式
在一个周期内传输 4 位数据。ETH_TXCTL 和 ETH_RXCTL 控制信号也采用 SDR 的传输方式。

在做接下来的代码例证之前解决几个问题：
为什么在做以太网交互的时候，需要把时钟通过BUFIO和BUFG，我直接进行裸连传输不行嘛？
在以太网交互中，特别是在FPGA设计时，将时钟信号通过BUFIO和BUFG这样的专用时钟缓冲器进行处理，通常是为了优化信号的完整性和时钟管理性能。直接进行裸连传输虽然理论上可行，但会引发以下问题：

1. 时钟分布网络：
   FPGA中的时钟信号需要分布到各个逻辑单元，使用BUFIO（I/O时钟缓冲器）和BUFG（全局时钟缓冲器）可以有效地将时钟信号可靠地分发到多个区域。裸连传输时钟信号可能导致延迟不均、时钟偏斜（clock skew），从而影响时序。

• BUFIO：主要用于驱动FPGA中的高速I/O逻辑，提供低延迟和高性能的局部时钟信号。
• BUFG：用于将时钟信号分配到FPGA的全局时钟网络，保证时钟信号在全局范围内的低偏斜。

2. 信号完整性：
   直接裸连时钟信号可能会受到噪声、电磁干扰（EMI）等因素的影响，导致信号失真。BUFIO和BUFG能够起到缓冲的作用，提升时钟信号的稳定性和抗干扰能力。
3. 时钟域隔离：
   在以太网交互中，可能会涉及多个时钟域。使用BUFIO和BUFG可以帮助你更好地管理不同时钟域之间的同步问题，避免由于时钟域跨越（clock domain crossing）带来的不确定性问题。
4. 优化延迟和抖动：
   通过BUFIO和BUFG可以减少时钟路径上的抖动（jitter）和延迟（latency），提高时钟信号的精度和可靠性。裸连传输时钟信号会导致时序不准确，进而影响以太网协议中高精度的时钟要求。
   总结：
   裸连时钟信号传输理论上可行，但容易导致时钟不稳定、信号干扰以及时序问题。通过BUFIO和BUFG缓冲时钟，能够有效解决这些问题，保证以太网通信的可靠性和时钟同步的精度。因此，为了提高系统的稳健性，通常推荐使用这些缓冲器。

使用Xilinx原语可以帮助我们更好的去优化整体的设计，因为在这个设计中RGMII是双沿采样的，上升沿采样，下降沿采样，直接去写时序会很差，但是我们可以借助Xilinx原语帮助我们优化这个问题。