千兆以太网（2）：接收——包校验和数据筛选

FPGA开源工作室

发布于 2020-04-16 17:32:36

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前面我们实现了FPGA板卡接收以太网的数据，但是里面的数据比较乱，而且可能出现无效帧，即便是有效帧，也不是所有数据都是我们要的，必须对数据进行筛选。本篇博客详细记录一下以太网数据的校验和筛选。

一、数据发送

　　我们用 Matlab 软件实现电脑向以太网发送数据，FPGA板卡接收数据。具体程序网上很多，就不贴了。

二、数据的校验和筛选

1、UDP以太网结构

　　以太网的发送以包为单位，每个包的结构如下图所示。图中有帧首部、MAC首部、IP首部、UDP首部、用户数据、帧尾部等。后面我们将利用这些数据进行校验和筛选出我们需要的值。

2、包有效校验

　　如上图蓝色部分即是我们的包有效校验区，包发送数据过来，而刚好蓝色位置的 5byte（40bit）数据和标准值一样，那么就可以认定该包为有效包。

always @(posedge sclk) begin
    if(rst) begin
        pkg_vld_value <= 40'd0;
    end
    else if(rx_en_cnt==31 || (rx_en_cnt>=42 && rx_en_cnt<=45)) begin //udp、port源、port目的
        pkg_vld_value <= {pkg_vld_value[31:0],rx_data};
    end
end

always @(posedge sclk) begin
    if(rst) begin
        pkg_vld <= 1'b0;
    end
    else if(rx_en_fall && pkg_vld_value==40'h11_04d2_007b) begin
        pkg_vld <= 1'b1;
    end
    else begin
        pkg_vld <= 1'b0;
    end
end

3、CRC校验

　　CRC校验是为了证明一个数据包是否出错，多数为 8 位或 32 位，本次采用 32 位的CRC校验，但是记住，只能用于验证数据是否出错，而不能对错误进行纠正。此外 CRC 校验是去掉了帧首部的 8 byte 数据后的校验。如下所示是32位的CRC校验模块，注意校验和解校验的电路默认初始状态都是 32‘hffffffff，即全1状态。千兆以太网的解校验结果为 32’hc704dd7b。可以用例化的方式对该模块进行使用，而实际 CRC 校验的科学原理则略微高深，此处不做讲解。

always @(posedge sclk) begin
    if(rst) begin
        crc32_value <= 32'hFFFFFFFF;
    end
    else if(crc_en) begin
        crc32_value[ 0] <= c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 1] <= c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 2] <= c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 3] <= c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[ 4] <= c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 5] <= c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[1]^d[7];
        crc32_value[ 6] <= c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[ 7] <= c[31]^d[ 0]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[ 8] <= c[ 0]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^d[ 6]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[ 9] <= c[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^d[ 6];
        crc32_value[10] <= c[ 2]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[11] <= c[ 3]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^d[ 6]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[12] <= c[ 4]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[13] <= c[ 5]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[14] <= c[ 6]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[5];
        crc32_value[15] <= c[ 7]^c[31]^d[ 0]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[16] <= c[ 8]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[17] <= c[ 9]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[25]^d[ 6];
        crc32_value[18] <= c[10]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[19] <= c[11]^c[31]^d[ 0]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[20] <= c[12]^c[28]^d[ 3];
        crc32_value[21] <= c[13]^c[29]^d[ 2];
        crc32_value[22] <= c[14]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[23] <= c[15]^c[25]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[24] <= c[16]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[25] <= c[17]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[26] <= c[18]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[27] <= c[19]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[28] <= c[20]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[29] <= c[21]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[30] <= c[22]^c[31]^d[ 0]^c[28]^d[ 3];
        crc32_value[31] <= c[23]^c[29]^d[ 2];
    end
    else if(!crc_en) begin
        crc32_value <= 32'hFFFFFFFF;
    end
end

4、数据的筛选

　　由上图可知，只有中间红色部分的 “用户数据”才是我们真正需要的，因此最终输出结果还需要进行一番筛选，去头去尾即可，这也没什么难的。

三、代码设计

　　上面已经贴了部分代码了，难道这里我要全贴代码吗？不，贴代码没有意义，重要的是懂内部的含义。我们以 rx_filter 来命名此模块，rx_filter 的输入是网口数据经过前一讲中转换后的 8bit 数据值和对应使能，输出则是经过校验和筛选后的数据和使能。

　　上面说的 包有效校验 和 CRC校验，代码本身都不难，用个计数器数进来的数据使能，然后对那些关键节点进行比较即可。但是那头数据边来这头又要边校验，很可能时序出错，因此有必要建立一个 data_fifo 先缓存住过来的数据，然后进行包有效校验和 CRC 校验。data_fifo 的深度可以深一点，例如8192，这样就能容纳多帧了。校验完了后是需要判断是否丢弃该包的，因此还需要另一个 status_fifo 对校验信息进行存储，同时只要 status_fifo 由空变成不空了，说明该包校验信息写入了，即该包校验结束，那就直接设计 status_fifo 的读使能让信息数据出来，并用一个寄存器锁存住后面用。status_fifo 的读使能有了后，data_fifo 的读使能也要立马设计出来，免得新来的各种包不断进入 data_fifo，那不得撑爆了。注意 data_fifo 的读使能持续时间应该和进来时的数据使能一样长，所以前面计数时不能光计数了，还得把一个完整包的长度存起来。怎么存？直接将长度寄存住后和包有效校验、CRC校验拼接一起写给 status_fifo 就行了，后面 status_fifo 读出来这些数据就能为我们所用了。现在 data_fifo 不断的写数据读数据，status_fifo 也不断的写信息数据读信息数据，下一步我们就能利用读出来的信息数据，判断里面的的信息（即包有效校验和CRC校验）是不是真的OK，如果是真的OK，那就将 data_fifo 的读数据和读使能进行数据剔除，留下中间“用户数据”部分再传出去，如果不OK就不管了，让那个 data_fifo 的读使能和读数据继续工作，但我们不使用它，相当于丢弃了。示意图如下所示：