基于FPGA的以太网开发

基于FPGA的以太网开发，在调试过的FPGA玩家开来，其实算不上很难的技术！但是如果只是菜鸟级别的选手，没有调试过的话，就有些头疼了！早在自己在实习的时候，就接触到XAUI（万兆以太网口）接口，但是由于某些原因没能参与调试，成为了自己的遗憾，这次在Altera平台下开发百兆以太网，想通过博文的方式记录自己的调试例程

 
 做网络开发，首先必须对以太网的层级结构有了解，否则，你很容易分不清每层的功能，而在自己到底要做什么上而找不到方向！这里，从802.3的协议上抓取一副图片说明问题：

 

 

  
图中采用的是GMII（Gigabit Media Independent
Interface）接口，可以看到PHY层，物理层基本不做逻辑上的处理,对于吉比特串行而言主要是是传输物理的数据信号编码（8B10B）和时钟信号回复（CDR）。FPGA提供的MAC
IP核，若器件带高速收发器（GTX），那么我们就不需要外接PHY芯片，否则就需要外接PHY芯片，完成PHY层的功能。

  
这里继续给出ISO协议提供的MAC帧格式：

　

　其中开始的７个字节放固定的帧同步码；１个字节的帧开始符；６个字节的源物理地址；６个字节的目的物理地址；接下来就是长度和帧类型。实际开发中，我们使用的IPv4的报文，类型号：

，接下来MAC层提供给用户的数据净荷大小是46-1500个字节（基本帧结构）。

  
理清楚这个概念以后，在实际使用中MAC内的净荷是如何存放的，还需要知道网络协议的层次结构，这里贴出一张ISO七层协议到TCP/IP四层协议的对应关系图，然后说明实际底层开发，FPGA做封包处理，到底要干嘛。

  

     
MAC帧封装的是MAC帧头+传输层的IP报文。

     
FPGA通过纯迎硬件的方式开发网络功能，IP数据帧中的数据包：对应的传输层有TCP和UDP两种协议。由于TCP协议涉及到三次握手建立连接和四次挥手释放连接，以纯硬件的方式来开发，难度较大，但是有第三方的IP可以实现该功能，这里我们选用面向无连接的UDP协议。

    
虽然选择了UDP协议，但是最后想FPGA发送的网络数据能够让上位机的应用软件接收到，我们需要给应用分配一个端口号。端口号就是为了区分上位机上不同的网络应用程序之间的数据的。比如，同时浏览网页和聊天，浏览器有个端口号接收自己的数据，聊天工具有个端口号接收自己的数据。

  
讲了这么多的目的，是建立网路报文和层之间对应的基本概念。因为通过FPGA开发网络应用，我们需要自己在最底层，一个字节一个字节的拼出一个IP报文，从端口号开始到MAC帧，FPGA开发者都必须掌握这些概念。不然，不知道自己到底用什么拼一个数据包出来给FPGA的MAC核。

   
其实FPGA的MAC核在我们看来完成了加前导码、帧定界符、FCS的功能。实际使用以太网给PC发送数据的时候，基本是用网络进行点对点通信，没涉及到CSMA/CD功能。如果真的涉及到PC机侧和多个外部设别通信，在组包的时候，需要注意MAC地址、IP地址、端口号，合理规范，避免冲突。