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物理层#xff1a;网线网卡#xff08;PHY芯片#xff09; 数据链路层#xff1a;Mac层(数据有效传输#xff09; 如图所示#xff1a;FPGA中的Mac层中的MII接口负责控制PHY芯片#xff0c;PHY芯片通过网线与PC端进行以太网数据传输。 FPGA中#xff…以太网数据通信
物理层网线网卡PHY芯片 数据链路层Mac层(数据有效传输 如图所示FPGA中的Mac层中的MII接口负责控制PHY芯片PHY芯片通过网线与PC端进行以太网数据传输。 FPGA中ac与PHY通信II接口
FPGA通过MAC层发送ARP协议
发送ARP协议目的知道IP地址后,得到MAC(主机硬件地址) MAC层模块原理设计图 使用MAC层发送ARP命令原理如图所示:
ARP模块设计
模块设计图 ARP发送模块设计时序
根据图上的ARP通信原理设计时序图如下。
MAC层模块代码
module mac_mii_send(input [47:0] mac_source , //Mac_source
input [47:0] mac_goal , //other_Mac
input rst_n ,
input mac_send_en , //pulse width 40ns
input [15:0] data_type , //agreement type
input [10:0] data_length , //main data field length
input [31:0] crc_result , //Frame check sequence
// mii Interface
input mii_tx_clk , //mii interface clk
output reg mii_tx_en , //mii interface enable
output reg [3:0] mii_txd , //mii interface data
output mii_tx_error , //error signal high level effective
// fifo Interface
input [3:0] mac_send_data , //data read from fifo
output fifo_rd_clk , //read fifo clock
output data_req , //read requestoutput reg send_done //pulse signal 40ns);reg [5:0] cnt ;
wire en_tx_data ;
reg [10:0] data_cnt ;
reg en ;always (posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)en 1b0;elseif(mac_send_en)en 1b1;elseif(cnt h35) //d53en 1b0;always (posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)cnt 1b0;elseif(en)beginif(!en_tx_data)beginif(cnt 6h36) //d54cnt cnt 1b1;elsecnt 1b0;endelsecnt cnt ;endelsecnt 1b0;assign en_tx_data (cnt h2D)(data_cnt data_length - 1b1) ; //d45
assign data_req en_tx_data; //fifo request signalalways (posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)data_cnt 1b0;elseif(en_tx_data)data_cnt data_cnt 1b1;elseif(data_cnt data_length - 1b1)data_cnt 1b0;// mian Sequencer
always (posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)beginmii_txd 1b0;send_done 1b0;endelsebegincase(cnt)6h0: beginmii_txd 1b0;send_done 1b0;end6h1,6h2,6h3,6h4,6h5,6h6,6h7,6h8,6h9,6ha,6hb,6hc,6hd,6he,6hf:mii_txd 4h5; //前导码6h10: mii_txd 4hD; //帧开始符6h11:mii_txd mac_goal[43:40] ; //目的MAC地址6h12: mii_txd mac_goal[47:44] ;6h13:mii_txd mac_goal[35:32] ; 6h14: mii_txd mac_goal[39:36] ;6h15: mii_txd mac_goal[27:24] ;6h16: mii_txd mac_goal[31:28] ;6h17: mii_txd mac_goal[19:16] ; 6h18: mii_txd mac_goal[23:20] ;6h19:mii_txd mac_goal[11:8] ; 6h1a: mii_txd mac_goal[15:12] ;6h1b: mii_txd mac_goal[3:0] ;6h1c: mii_txd mac_goal[7:4] ;6h1d:mii_txd mac_source [43:40] ; 6h1e: mii_txd mac_source [47:44] ; //源MAC地址6h1f: mii_txd mac_source [35:32] ; 6h20: mii_txd mac_source [39:36] ;6h21: mii_txd mac_source [27:24] ;6h22: mii_txd mac_source [31:28] ;6h23: mii_txd mac_source [19:16] ;6h24: mii_txd mac_source [23:20] ;6h25: mii_txd mac_source [11:8] ;6h26: mii_txd mac_source [15:12] ;6h27: mii_txd mac_source [3:0] ;6h28: mii_txd mac_source [7:4] ;6h29: mii_txd data_type[11:8] ; //长度/类型6h2a: mii_txd data_type[15:12] ;6h2b: mii_txd data_type[3:0] ;6h2c: mii_txd data_type[7:4] ;6h2d: //d45mii_txd mac_send_data ;6h2e: //d46mii_txd crc_result [27:24] ;6h2f: mii_txd crc_result [31:28] ;6h30: mii_txd crc_result [19:16] ;6h31: mii_txd crc_result [23:20] ;6h32: mii_txd crc_result [11:8] ;6h33: mii_txd crc_result [15:12] ;6h34: mii_txd crc_result [3:0] ;6h35: mii_txd crc_result [7:4] ;6h36: //d54 beginsend_done 1b1;mii_txd 1b0 ;enddefault: beginsend_done 1b0;mii_txd 1b0 ;endendcaseendalways (posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)mii_tx_en 1b0;elseif(en (cnt h1)) //d1mii_tx_en 1b1;else if(cnt h36) //d54mii_tx_en 1b0;elsemii_tx_en mii_tx_en ;assign fifo_rd_clk mii_tx_clk;endmodule 使用ARP工具生成Mac层传输的数据不包含前导码和帧开始符将数据复制到CRC生成工具产生CRC校验值。 源主机通过广播形式发出 ARP 请求以太网帧首部的硬件地址目的MAC地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播。
发送ARP请求模块
使用case语句模拟FIFO写入数据。手动计算CRC码。
module mac_mii_send_test(input rst_n ,
input eth_tx_clk ,output eth_tx_er ,
output eth_tx_en ,
output [3:0] eth_tx_data ,
output eth_rst_n );parameter CRC 32h79D9D41B; //h42853ABE EA1C2E26 (PC IP 192.168.1.1 : h4DB06FEE) (PC IP 192.168.56.1 : hD892D6E1)wire mac_send_en ;
wire [31:0] crc_result ;
wire data_req ;
wire send_done ;
wire fifo_rd_clk ;
reg [20:0] data_cnt ;
reg [31:0] time_cnt ;
reg [3:0] mac_send_data ;mac_mii_send mac_mii_send_inst(.mac_source (48h17_31_81_ca_3c_7a), //Mac_source
.mac_goal (48hff_ff_ff_ff_ff_ff), //other_Mac radio
.rst_n (rst_n),
.mac_send_en (mac_send_en), //pulse width 40ns
.data_type (16h08_06), //agreement type
.data_length (d112), //main data field length ARP字段与填充数据 data_length/2个字节
.crc_result (crc_result), //Frame check sequence
// mii Interfac
.mii_tx_clk (eth_tx_clk), //mii interface clk
.mii_tx_en (eth_tx_en), //mii interface enable
.mii_txd (eth_tx_data), //mii interface data
.mii_tx_error (), //error signal high level effective
// fifo Interface fifo 设置为 showahead 模式
.mac_send_data (mac_send_data), //data read from fifo
.fifo_rd_clk (fifo_rd_clk), //read fifo clock
.data_req (data_req), //read request.send_done (send_done) //pulse signal 40ns);assign eth_rst_n 1;
assign crc_result {CRC[7:0],CRC[15:8],CRC[23:16],CRC[31:24]};always (posedge eth_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)data_cnt 1b0;elseif(data_req)data_cnt data_cnt 1b1;elsedata_cnt 1b0;always (posedge eth_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)time_cnt d0;elseif(time_cnt d80000) // time_cnt 1b0;elsetime_cnt time_cnt 1b1;assign mac_send_en (time_cnt d50); //d2_499_999always (*) //ARP字段与填充数据begincase(data_cnt)0, 1, 3 : mac_send_data 4h0;2 : mac_send_data 4h1; 4 : mac_send_data 4h8;5 : mac_send_data 4h0;6 : mac_send_data 4h0; 7 : mac_send_data 4h0; 8 : mac_send_data 4h6; //MAC地址长度9 : mac_send_data 4h0; 10 : mac_send_data 4h4; //IP地址长度11 : mac_send_data 4h0; 12 : mac_send_data 4h0; //操作码 请求包13 : mac_send_data 4h0;14 : mac_send_data 4h1;15 : mac_send_data 4h0;16 : mac_send_data 4h7; //源MAC地址17 : mac_send_data 4h1;18 : mac_send_data 4h1;19 : mac_send_data 4h3;20 : mac_send_data 4h1;21 : mac_send_data 4h8;22 : mac_send_data 4ha;23 : mac_send_data 4hc;24 : mac_send_data 4hc;25 : mac_send_data 4h3;26 : mac_send_data 4ha;27 : mac_send_data 4h7; 28 : mac_send_data 4h0; //源IP地址 192.168.1.20129 : mac_send_data 4hc;30 : mac_send_data 4h8;31 : mac_send_data 4ha;32 : mac_send_data 4h1;33 : mac_send_data 4h0;34 : mac_send_data 4h9;35 : mac_send_data 4hc;36 : mac_send_data 4h0; //目标MAC地址 37 : mac_send_data 4h0;38 : mac_send_data 4h0;39 : mac_send_data 4h0;40 : mac_send_data 4h0;41 : mac_send_data 4h0;42 : mac_send_data 4h0;43 : mac_send_data 4h0;44 : mac_send_data 4h0;45 : mac_send_data 4h0;46 : mac_send_data 4h0;47 : mac_send_data 4h0; 48 : mac_send_data 4h0; //目标IP 192.168.1.4 49 : mac_send_data 4hc;50 : mac_send_data 4h8;51 : mac_send_data 4ha;52 : mac_send_data 4h1; // 53 : mac_send_data 4h0; //54 : mac_send_data 4h4; //55 : mac_send_data 4h0; //56 : mac_send_data 4h0; //填充57 : mac_send_data 4h0; 58 : mac_send_data 4h0; 59 : mac_send_data 4h0; 60 : mac_send_data 4hf; 61 : mac_send_data 4hf; 62 : mac_send_data 4hf; 63 : mac_send_data 4hf; 64 : mac_send_data 4hf; 65 : mac_send_data 4hf; 66 : mac_send_data 4hf; 67 : mac_send_data 4hf; 68 : mac_send_data 4hf; 69 : mac_send_data 4hf; 70 : mac_send_data 4hf; 71 : mac_send_data 4hf; 72 : mac_send_data 4h0; 73 : mac_send_data 4h0; 74 : mac_send_data 4h3; 75 : mac_send_data 4h2; 76 : mac_send_data 4hd; 77 : mac_send_data 4hc; 78 : mac_send_data 4h6; 79 : mac_send_data 4h7; 80 : mac_send_data 4h3; 81 : mac_send_data 4h6; 82 : mac_send_data 4ha; 83 : mac_send_data 4h1; 84 : mac_send_data 4h8; 85 : mac_send_data 4h0; 86 : mac_send_data 4h6; 87 : mac_send_data 4h0; 88 : mac_send_data 4h0; 89 : mac_send_data 4h0; 90 : mac_send_data 4h1; 91 : mac_send_data 4h0; 92 : mac_send_data 4h3;93 : mac_send_data 4h7;94 : mac_send_data 4h4;95 : mac_send_data 4h7;96 : mac_send_data 4h5;97 : mac_send_data 4h7;98 : mac_send_data 4h6;99 : mac_send_data 4h7; 100 : mac_send_data 4h7;101 : mac_send_data 4h7;102 : mac_send_data 4h1;103 : mac_send_data 4h6;104 : mac_send_data 4h2;105 : mac_send_data 4h6;106 : mac_send_data 4h3;107 : mac_send_data 4h6;108 : mac_send_data 4h4;109 : mac_send_data 4h6;110 : mac_send_data 4h5;111 : mac_send_data 4h6;default : mac_send_data 4h0;endcaseendendmodule 使用Wireshark软件查看ARP字段与应答。
FPGA通过MAC层发送UDP协议
IP报头检验和计算模块
将IP报头以2字节为单位相加此时IP报头检验和为零求和结果将数据高位溢出位加低16位求和结果取反为IP报头检验和。
module ip_check(input [3:0] edition , //版本
input [3:0] head_length , //首部长度
input [7:0] service_type , //服务类型
input [15:0] ip_message_length , //ip报文长度
input [30:0] block_logo , //分段标识 偏移
input [7:0] life_cycle , //生存周期
input [7:0] agreement_type , //上层协议类型
// input [15:0] ip_checkout_0 , //计算时IP报头检验和为零
input [31:0] source_ip_address , //源IP地址
input [31:0] goal_ip_address , //目的IP地址output [15:0] ip_checkout //IP报头检验和 );wire [31:0] ip_check_sum ;
wire [31:0] ip_check_sum_reg ;assign ip_check_sum_reg ({edition,head_length,service_type} ip_message_length block_logo {life_cycle,agreement_type} source_ip_address[31:16] source_ip_address[15:0] goal_ip_address[31:16] goal_ip_address[15:0]);assign ip_check_sum ~(ip_check_sum_reg[31:16] ip_check_sum_reg[15:0]);assign ip_checkout ip_check_sum;endmodule
发送DUP顶层模块
module mac_udp_send_test(input rst_n ,
input eth_tx_clk ,output eth_tx_er ,
output eth_tx_en ,
output [3:0] eth_tx_data ,
output eth_rst_n );parameter CRC 32hFE3A3426; //h42853ABE EA1C2E26 (PC IP 192.168.1.1 : h4DB06FEE) (PC IP 192.168.56.1 : hD892D6E1)
parameter DATA_LENFTH 11d92; //46字节wire mac_send_en ;
wire [31:0] crc_result ;
wire data_req ;
wire send_done ;
wire fifo_rd_clk ;
reg [20:0] data_cnt ;
reg [31:0] time_cnt ;
reg [3:0] mac_send_data ;
wire crc_en ;
wire [31:0] crc ;
wire [15:0] ip_checkout ;assign eth_rst_n 1;
assign crc_result {CRC[7:0],CRC[15:8],CRC[23:16],CRC[31:24]};
// assign crc_result CRC ;mac_udp_send mac_udp_send_inst(.mac_source (48h17_31_81_CA_3C_7A), //Mac_source
.mac_goal (48h58_11_22_A0_E9_61), //目的MAC地址
.rst_n (rst_n),
.mac_send_en (mac_send_en), //pulse width 40ns
.data_type (16h08_00), // 长度/类型 UDP
.data_length (DATA_LENFTH), // 数据与填充 data_length/2个字节
.crc_result (crc_result), //Frame check sequence
// mii Interfac
.mii_tx_clk (eth_tx_clk), //mii interface clk
.mii_tx_en (eth_tx_en), //mii interface enable
.mii_txd (eth_tx_data), //mii interface data
.mii_tx_error (), //error signal high level effective
// fifo Interface fifo 设置为 showahead 模式
.mac_send_data (mac_send_data), //data read from fifo input
.fifo_rd_clk (fifo_rd_clk), //read fifo clock
.data_req (data_req), //read request
.crc_en (crc_en), .send_done (send_done) //pulse signal 40ns);ip_check ip_check_inst(.edition (4h4) , //版本 .head_length (4h5) , //首部长度.service_type (0) , //服务类型.ip_message_length (16h002E) , //ip报文长度.block_logo (0) , //分段标识等.life_cycle (8h40) , //生存周期.agreement_type (d17) , //上层协议类型 .source_ip_address (hC0_A8_01_C9) , //源IP地址.goal_ip_address (hC0_A8_01_04) , //目的IP地址.ip_checkout (ip_checkout) //IP报头检验和
);always (posedge eth_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)data_cnt 1b0;elseif(data_req)data_cnt data_cnt 1b1;elsedata_cnt 1b0;always (posedge eth_tx_clk or negedge rst_n)if(!rst_n)time_cnt d0;elseif(time_cnt d80000) // time_cnt 1b0;elsetime_cnt time_cnt 1b1;assign mac_send_en (time_cnt d50); //d2_499_999always (*) //ARP字段与填充数据begincase(data_cnt)0 : mac_send_data 4h5; //IP首部长度1 : mac_send_data 4h4; //IPV42 : mac_send_data 4h0; //服务类型3 : mac_send_data 4h0; 4 : mac_send_data 4h0; //IP报文长度 5 : mac_send_data 4h0;6 : mac_send_data 4he; 7 : mac_send_data 4h2; 8 : mac_send_data 4h0; //分段表示 设置0 9 : mac_send_data 4h0; 10 : mac_send_data 4h0; 11 : mac_send_data 4h0; 12 : mac_send_data 4h0; 13 : mac_send_data 4h0;14 : mac_send_data 4h0;15 : mac_send_data 4h0;16 : mac_send_data 4h0; //周期 6417 : mac_send_data 4h4;18 : mac_send_data 4h1; //上层协议类型19 : mac_send_data 4h1;// 算20 : mac_send_data ip_checkout[11:8]; //IP报头检验和 逻辑模块算出 忽略 ip_checkout[11:8]21 : mac_send_data ip_checkout[15:12]; //IP版本....目的IP地址 ip_checkout[15:12]22 : mac_send_data ip_checkout[3:0]; //测试校验和 图7.5-11 ip_checkout[3:0]23 : mac_send_data ip_checkout[7:4]; //ip_checkout[7:4]24 : mac_send_data 4h0; //源IP地址 192.168.1.20125 : mac_send_data 4hc;26 : mac_send_data 4h8;27 : mac_send_data 4ha; 28 : mac_send_data 4h1; 29 : mac_send_data 4h0;30 : mac_send_data 4h9;31 : mac_send_data 4hc;32 : mac_send_data 4h0; //目的IP地址 4字节 192.168.1.433 : mac_send_data 4hc;34 : mac_send_data 4h8;35 : mac_send_data 4ha;36 : mac_send_data 4h1; 37 : mac_send_data 4h0;38 : mac_send_data 4h4;39 : mac_send_data 4h0;//UDP协议层40 : mac_send_data 4h9; //源端口号 2字节 650041 : mac_send_data 4h1;42 : mac_send_data 4h4;43 : mac_send_data 4h6;44 : mac_send_data 4h5; //目的端口号 2字节 550045 : mac_send_data 4h1;46 : mac_send_data 4hc;47 : mac_send_data 4h7; 48 : mac_send_data 4h0; //UDP报文长度 26 2字节 49 : mac_send_data 4h0;50 : mac_send_data 4ha;51 : mac_send_data 4h1;52 : mac_send_data 4h0; // UDP校验和 2字节 忽略全零53 : mac_send_data 4h0; 54 : mac_send_data 4h0; 55 : mac_send_data 4h0; 56 : mac_send_data 4h8; //填充和数据57 : mac_send_data 4h4; 58 : mac_send_data 4h5; 59 : mac_send_data 4h6; 60 : mac_send_data 4hc; 61 : mac_send_data 4h6; 62 : mac_send_data 4hc; 63 : mac_send_data 4h6; 64 : mac_send_data 4hf; 65 : mac_send_data 4h6; 66 : mac_send_data 4hc; 67 : mac_send_data 4h2; 68 : mac_send_data 4h7; 69 : mac_send_data 4h6; 70 : mac_send_data 4hf; 71 : mac_send_data 4h6; 72 : mac_send_data 4hf; 73 : mac_send_data 4h6; 74 : mac_send_data 4h4; 75 : mac_send_data 4h6; 76 : mac_send_data 4h0; 77 : mac_send_data 4h2; 78 : mac_send_data 4h4; 79 : mac_send_data 4h7; 80 : mac_send_data 4hf; 81 : mac_send_data 4h6; 82 : mac_send_data 4h0; 83 : mac_send_data 4h2; 84 : mac_send_data 4h6; 85 : mac_send_data 4h4; 86 : mac_send_data 4h0; 87 : mac_send_data 4h5; 88 : mac_send_data 4h7; 89 : mac_send_data 4h4; 90 : mac_send_data 4h1; 91 : mac_send_data 4h4;default : mac_send_data 4h0;endcaseendendmodule 可以看到IP校验和无误并且成功发送字母。
