FPGA基于SFP光口实现千兆网UDP通信 1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII替代网络PHY芯片 提供工程源码和技术支持

1、前言

目前网上的fpga实现udp基本生态如下：
1：verilog编写的udp收发器，但不带ping功能，这样的代码功能正常也能用，但不带ping功能基本就是废物，在实际项目中不会用这样的代码，试想，多机互联，出现了问题，你的网卡都不带ping功能，连基本的问题排查机制都不具备，这样的代码谁敢用？
2：带ping功能的udp收发器，代码优秀也好用，但基本不开源，不会提供源码给你，这样的代码也有不足，那就是出了问题不知道怎么排查，毕竟你没有源码，无可奈何；
3：使用了Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC三速网IP实现，这样的代码也很优秀，但还是那个问题，没有源码，且三速网IP需要licence，三速网IP实现了rgmii到gmii再到axis的转换；
4：使用FPGA的GTX资源利用SFP光口实现UDP，通信，这种方案不需要外接网络变压器即可完成，本方案就是此种设计；

本设计调用Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC三速网IP，使用UDP协议栈实现UDP通信的MAC层设计，调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核实现了网络变压器的功能，从而实现无需外挂网络芯片即可实现UDP通信的方案；该UDP该协议栈目前并不开源，只提供网表文件，但不影响使用，该协议栈带有用户接口，使得用户无需关心复杂的UDP协议而只需关心简单的用户接口时序即可操作UDP收发，非常简单；本设计通过一个fifo实现UDP数据的回环收发，并在电脑端使用网络调试助手进行UDP收发验证；

本设计经过反复大量测试稳定可靠，可在项目中直接移植使用，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字通信领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

版本更新说明

此版本为第2版，根据读者的建议，对第1版工程做了如下改进和更新：
1：增加了工程移植的简单说明；
2：增加了Tri Mode Ethernet MAC IP核的使用、更新、修改等说明，以单独文档形式放在了资料包中；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、我这里已有的以太网方案

目前我这里有大量UDP协议的工程源码，包括UDP数据回环，视频传输，AD采集传输等，也有TCP协议的工程，还有RDMA的NIC 10G 25G 100G网卡工程源码，对网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往
其中千兆TCP协议的工程博客如下：
直接点击前往

3、详细设计方案

在讲述设计方案之前，我们先来看看FPGA实现UDP通信方案应具备什么条件，大体如下：

1：用户逻辑:
开发者需要收发的实际数据，可以以多种形势存在，比如自定义格式、AXIS数据流格式等等，用户逻辑的接口时序必须与MAC层的接口时序一致；
2：MAC层
主要由UDP、IP、ARP、ICMP等具体的协议逻辑组成，实现网络数据的组包与拆包，相当于做了软件里Sockte做的事儿，Sockte依赖CPU做网络数据包，而这里的MAC层直接使用硬件资源做网络数据包，解放了网络数据包对CPU的奴役，在当今时髦儿的RDMA中得以完美体现。。。本设计的MAC层采用米联客的UDP协议栈，关于这部分，请参考我之前写的文章
3：网络变压器
主要由PCS/PMA组成，PCS主要实现并行数据的编解码，比如经典的8b/10编解码，PMA主要实现并串/串并转换，输出接口是高速差分信号，可直接与SFP或者RG45网口连接；
4：RJ45网口：俗称水晶头，插网线的。。。
5：远端节点
本FPGA开发板可以理解为一个网卡，远端节点就是与之连接的另一个网卡；

本设计与上述传统的FPGA实现UDP方案不同的是网络变压器部分，前面的网络变压器是真实的网络PHY芯片，比如我常用到的RTL8211、B50610、88E1518等等；本设计没有用到网络变压器，而是调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核实现了网络变压器的功能，通过SFP光口输出实现与远端节点的连接，设计框图如下：

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII

本设计在电脑端使用网络调试助手和开发板通信，实现UDP数据环回试验，本设计没有使用外接网络变压器，而是调用Xilinx官方的1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核，利用SFP光口输出的形式完成。1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII配置为1G，其与MAC的接口为GMII，配置如下：

Tri Mode Ethernet MAC

Tri Mode Ethernet MAC主要是为了适配1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，因为后者的输入接口是GMII，而Tri Mode Ethernet MAC的输入接口是AXIS，输出接口是GMII，Tri Mode Ethernet MAC配置如下：

UDP协议栈

本UDP协议栈方案需配合Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC三速网IP一起使用，使用UDP协议栈网表文件，虽看不见源码但可正常实现UDP通信，该协议栈目前并不开源，只提供网表文件，但不影响使用，该协议栈带有用户接口，使得用户无需关心复杂的UDP协议而只需关心简单的用户接口时序即可操作UDP收发，非常简单；
协议栈架构如下：

协议栈性能表现如下：
1：支持 UDP 接收校验和检验功能，暂不支持 UDP 发送校验和生成；
2：支持 IP 首部校验和的生成和校验，同时支持 ICMP 协议中的 PING 功能，可接收并响应同一个子网内部设备的 PING 请求；
3：可自动发起或响应同一个子网内设备的 ARP 请求，ARP 收发完全自适应。ARP 表可保存同一个子网内部256 个 IP 和 MAC 地址对；
4：支持 ARP 超时机制，可检测所需发送数据包的目的 IP 地址是否可达；
5：协议栈发送带宽利用率可达 93%，高发送带宽下，内部仲裁机制保证 PING 和 ARP 功能不受任何影响；
6：发送过程不会造成丢包；
7：提供64bit位宽AXI4-Stream形式的MAC接口，可与Xilinx官方的千兆以太网IP核Tri Mode Ethernet MAC，以及万兆以太网 IP 核 10 Gigabit Ethernet Subsystem、10 Gigabit Ethernet MAC 配合使用；
有了此协议栈，我们无需关心复杂的UDP协议的实现了，直接调用接口即可使用。。。
本UDP协议栈用户接口发送时序如下：

本UDP协议栈用户接口接收时序如下：

UDP协议栈数据缓冲

这里对代码中用到的数据缓冲FIFO组做如下解释：
由于 UDP IP 协议栈的 AXI-Stream 数据接口位宽为 64bit，而 Tri Mode Ethernet MAC 的 AXI-Stream数据接口位宽为 8bit。因此，要将 UDP IP 协议栈与 Tri Mode Ethernet MAC 之间通过 AXI-Stream 接口互联，需要进行时钟域和数据位宽的转换。实现方案如下图所示：

收发路径(本设计只用到了发送)都使用了2个AXI-Stream DATA FIFO，通过其中1个FIFO实现异步时钟域的转换，1个FIFO实
现数据缓冲和同步Packet mode功能；由于千兆速率下Tri Mode Ethernet MAC的AXI-Stream数据接口同步时钟信号为125MHz，此时，UDP协议栈64bit的AXI-Stream数据接口同步时钟信号应该为125MHz/(64/8)=15.625MHz，因此，异步
AXI-Stream DATA FIFO两端的时钟分别为125MHz(8bit)，15.625MHz(64bit)；UDP IP协议栈的AXI-Stream接口经过FIFO时钟域转换后，还需要进行数据数据位宽转换，数据位宽的转换通过AXI4-Stream Data Width Converter完成，在接收路径中，进行 8bit 到 64bit 的转换；在发送路径中，进行 64bit 到 8bit 的转换；

IP地址、端口号的修改

UDP协议栈留出了IP地址、端口号的修改端口供用户自由修改，位置如下：

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–>Artix7–>xc7a35tfgg484-2；
开发环境：vivado2019.1；
输入/输出：SFP光口；
工程作用：1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII的UDP通信；
测试项：UDP数据回环，ping等；
工程代码架构如下：

综合编译后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

6、上板调试验证并演示

硬件连接

需要买一个SFP转RJ45的模块插入SFP光口，然后用网线连接开发板和电脑，如下：

ping功能测试

板子上电下载bit后，先测试ping功能，如下：

单次ping还不够，直接上连续ping，如下：

数据收发测试

然后是用网络调试助手进行数据收发测试，如下：

网络速度测试

既有手动收发测试，也有循环12小时的长时间收发测试，测试结果没有出现丢包的情况。。。
测速如下：

在电脑上观察开发板以太网网口的发送速率，这个测速只代表可能的最高的速度，不代表电脑真实的不丢包速度，UDP 的点到点不丢包速度和电脑的网卡、CPU 速度、内存速度、操作系统都有关系。。。

7、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：