基于UDP/IP协议的电口通信（一）

碎碎思

发布于 2020-06-28 17:28:27

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发布于 2020-06-28 17:28:27

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本次设计基于UDP协议的通信设计，设计思路采用FPGA辅助设计-模块设计。

设计参考：https://opencores.org/projects?expanded=Communication%20controller

Opencores上有很多和通信相关的开源IP核可以使用，包括MAC、ARP、PCS等等，但是大部分IP都是VHDL语言写的，这和国外的设计习惯息息相关（为什么国内就没有类似的网站呢？大部分网站除了收费就是收取积分，太难了。）

所以本次设计主要还参考《ALINX》《MIZ》等国内开发板设计的UDP/IP协议栈。

首先根据UDP协议设计如下框图。应用层不在本次设计范围内，只需要预留接口供后续开发需要即可；所以设计的第一层即运输层，主要添加UDP首部，然后是IP层，添加IP首部，接下来就是MAC层，形成以太网帧，最后数据通过MII接口将数据发送给PHY，完成整个通信。下面以应用数据发送为例，简单解释下流程。

1、应用数据报发送给UDP发送模块，UDP发送模块会添加UDP首部后发送给IP层发送模块；

2、 IP层发送模块添加IP首部后发送给MAC层发送模块；

3、 MAC发送模块会形成以太网帧之后会通过RGMII总线发送给PHY；

4、 ICMP应答模块主要实现PING功能，ARP发送模块主要实现ARP功能。

图8‑18 UDP发送数据的简易流程

根据模块设计，接下来要分析主要数据流向，如下图所示：

图8‑19 udp_ip_stack层叠结构和数据流向图

表8‑7 udp_ip_stack层叠结构图说明

模块/层		说明
udp_ip_protocol_stack		顶局模块，使用该协议栈时，需要了解其接口和配置参数。
udp_layer：主要完成对上层应用数据的 udp 协议控制	udp_send	完成对上层应用数据 udp 报文的发送，udp_send 中例化了长度为 8 的移位寄存器组 udp_shift_register，用于发送 udp 首部时进行数据缓冲。
udp_layer：主要完成对上层应用数据的 udp 协议控制	udp_receive	完成对上层应用数据 udp 报文的接收。
ip_layer：完成对 udp 报文的 ip 协议控制	ip_send	ip 局协议数据的发送，包含发送 icmp 协议包的子模块 icmp_packet_send。目前，可支持 icmp 协议中的 ping 子协议，可接收并应答外部的 ping 请求包。 ip_send 中例化了长度为 20 的移位寄存器组udp_shift_register，用于发送 ip 首部时进行数据缓冲。
	ip_receive	ip 局协议数据的接收，包含了解析 icmp 协议的子模块 icmp_packet_process，ip 首部校验和校验模块ip_header_checksum_check。
	icmp_echo_data_fifo	用于缓存 icmp_packet_process 模块所解析出的 ping 请求数据包中的附加数据，供 icmp_packet_send 模块发送 ping 应答包时读取。
arp_layer：主要完成 arp 协议的控制	arp_send	完成 arp 请求/应答包的发送
	arp_receive	完成 arp 请求/应答包的接收
	mac_cache	mac_cache 用于建立ip 地址和 mac 地址之间的查找表。
send_buffer		send_buffer 主要完成 arp_send 和 ip_send 模块发送请求之间的仲裁，将 arp_send 和 ip_send 模块所需发送的数据发至 mac_layer。同时，完成 ip 地址至 mac 地址的查找，以及 ARP 请求的发起。
receive_buffer		receive_buffer 主要对从 mac_layer 输出的 ip 包和 arp 包进行分类，并分别将对应数据输出至ip_receive 和 arp_receive 模块。
mac_layer：主要完成对 ip 数据报和 arp 包的 mac 协议控制	mac_send	完成 mac 帧的发送，mac_send 包含了 mac 发送流量控制的子模块 mac_send_flow_control， CRC 校验码生成子模块CRC32_generation，并通过 send_fifo 完成用户接口时钟域至 phy 接口时钟域的转换。本模块通过mac_control_frame_process 和 mac_send_flow_control 模块可完成有效的以太网流量控制。同时，mac_send 中例化了长度为 22 的移位寄存器组 mac_shift_register，用于发送 mac 首部时进行数据缓冲。
mac_layer：主要完成对 ip 数据报和 arp 包的 mac 协议控制	mac_receive	完成 mac 帧的接收，包含 mac 暂停帧解析子模块mac_control_frame_process， CRC 码校验子模块 CRC32_check，并通过 receive_fifo 完成 phy 接口时钟域至用户接口时钟域的转换。