以太网（UDP）开源Verilog专题（一）

之前就说过要出Alexforencich以太网开源代码教程，与其说是教程不如说是笔记，本次专题多篇发送，本篇主要记录一些基础知识以及教大家如何恢复工程，后续主要以rgmii为例分模块进行仿真，从总体上把握代码并且学会使用。如果这些笔记能帮助刚入门的朋友对我来讲也算好事了。文章中如出现错误，也欢迎大家与我交流。后续也有计划出官方IP的教程。

1基础知识

什么是TCP/IP？TCP/IP协议定义了网络通信的过程，定义了数据单元的格式和基本内容，为了便于计算机能够正确接收和提取收到的消息。TCP/IP以及相关的协议构成了一套在TCP/IP网络中如何处理、传输和接收数据的完整系统，整个相关的协议TCP/IP协议被称为协议簇。在了解TCP/IP模型和相关层的协议前，我们先了解OSI模型和TCP/IP模型。

针对网络协议体系有个标准的7层模型，称为“开放系统互连”，即我们熟知的OSI，这是ISO（国际标准化组织）为了标准化网络协议系统所做出的规范，旨在提高网络互连性，并且方便软件开发人员以一种开放方式来使用协议标准。OSI作为比较复杂模型，很多设计过于理想，不是很方便实现，OSI和TCP/IP模型具有类似的目标，尽管TCP/IP（4层模型）没有严格遵守ISO模型，但他们仍然具有一定的兼容性，各个层间具备一定的“对应”。如下图：

• 物理层：把数据转换为传输介质上的电子流或模拟脉冲，并且监视数据的传输。

• 数据链路层：提供与网络适配网络适配器相连的接口，维护子网的逻辑链接。

• 网络层：支持逻辑寻址与路由选择。

• 传输层：为网络提供错误控制和数据流控制。

• 会话层：在计算机的通信应用程序之间建立会话。

• 表示层：把数据转换为标准格式，管理数据加密与压缩。

• 应用层：为应用程序提供网络接口，支持文件传输、通信等功能的网络应用。

TCP/IP协议簇的名字来源于TCP（一个传输层协议）和IP（一个网际层/网络层协议），即应用层，传输层，网络互联层，网络接口层中的2个来命名整体协议。

「网络接口层」这是TCP/IP协议的最低一层，包括有多种逻辑链路控制和媒体访问协议。网络接口层的功能是接收IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给网络互联层。（我们熟知的以太网标准属于这一层，对应的OSI是物理层和数据链路）

「网络互联层」（IP层） 该层包括以下协议：IP（网际协议）、ICMP（Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议）、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议）。该层负责相同或不同网络中计算机之间的通信,主要处理数据报和路由。在IP层中，ARP协议用于将IP地址转换成物理地址,RARP协议用于将物理地址转换成IP地址，ICMP协议用于报告差错和传送控制信息。IP协议在TCP/IP协议组中处于核心地位。

「传输层」该层提供TCP（传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）两个协议，它们都建立在IP协议的基础上，其中TCP提供可靠的面向连接服务，它提供更加复杂的流量控制和错误控制，TCP能够确保发送的数据更加可靠，由于有额外的检测和流量控制机制，其速度慢于UDP。UDP提供简单的无连接服务，比TCP快，但不可靠，它把错误机制推给了应用层。简单讲，如果需要可靠的传输，则使用TCP，需要快速数据流，使用UDP。传输层提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。

「应用层」TCP/IP协议的应用层相当于OSI模型的会话层、表示层和应用层，它向用户提供一组常用的应用层协议,其中包括：Telnet、SMTP、DNS等。此外，在应用层中还包含有用户应用程序，它们均是建立在TCP/IP协议组之上的专用程序。

总结：网络协议体系有OSI模型和TCP/IP模型，这两个模型具备一定的对应性，常用TCP/IP模型，这些模型的各个层，包含各种协议，这些协议构成整个传输协议体系。

前面写过，以太网对应OSI模型的两个层，物理层和数据链路层。从宏观上讲，以太网主要为这两个部分实现，数据链路层，即用以太网常说的MAC（媒体接入控制器）来实现，物理层中电路主要使用单独的PHY芯片来实现，由于MAC是纯数字，所以一般集成在主控芯片中，PHY由于集成较多的模拟电路，所以一般使用单独的芯片来实现，也就是我们熟知的以太网PHY芯片（这里只是说常见是PHY芯片，但也有不少是集成的）。

物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口（RGMII / GMII / MII）。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

IEEE 802.3 标准定义了三个组成 PHY 的主要功能块或子层。这些层包括物理编码子层，简称 PCS。PCS 的主要功能是对数据进行编码和解码。例如，100BASE-TX 会将来自 MAC 接口并准备通过网络传输的4位数据编码为 5 位数的块代码（4b/5b）。因此，通过此通道传输的实际数据速率将是 125 兆位/秒。使用4b/5b块代码有助于在接收器处恢复时钟。物理介质连接子层简称 PMA，具备将位映射至符号、确定链路状态、恢复时钟和检测错误事件等功能。物理介质相关子层简称 PMD，它实现的功能允许 PHY 以物理方式连接到网络，铜缆和光纤均可。每个层都既包含发送路径，也包含接收路径。PCS 块负责接收和传回数据。PHY 中总是包含 PMA 功能， 但可能不包含 PMD 功能。这是由 MAC 支持的以太网标准的版本所决定。在某些版本的标准中，PMD 功能包含在 PMA 中。无论如何，这些块都是用于连接到物理介质的接口。它们提供的服务可以在接收路径将电信号或光信号转化为位，并在发送路径将位转换为电信号或光信号。

MII即媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。

RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线，所以它一般要求是50兆的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，它不是每个端口安排收、发两个时钟，而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发，这里就节省了不少的端口数目。RMII的一个端口要求7个数据线，比MII少了一倍，所以交换机能够接入多一倍数据的端口。和MII一样，RMII支持10兆和100兆的总线接口速度。

SMII是由思科提出的一种媒体接口，它有比RMII更少的信号线数目，S表示串行的意思。因为它只用一根信号线传送发送数据，一根信号线传输接受数据，所以在时钟上为了满足100的需求，它的时钟频率很高，达到了125兆，为什么用125兆，是因为数据线里面会传送一些控制信息。SMII一个端口仅用4根信号线完成100信号的传输，比起RMII差不多又少了一倍的信号线。SMII在工业界的支持力度是很高的。同理，所有端口的数据收发都公用同一个外部的125M时钟。

GMII是千兆网的MII接口，这个也有相应的RGMII接口，表示简化了的GMII接口。

因为本系列主要以RGMII为例，所以简单讲一下时序。RGMII 使用 4bit 数据接口采用上下沿 DDR(Double Data Rate)的方式在一个时钟周期内传输 8bit 数据信号， 即上升沿发送或者接收数据的低 4 位[3:0]，下降沿发送或者接收数据的高 4 位[7:4]。如下图的接收和传输时序图：

关于TX_CTL/RX_CTL信号定义种类比较多，大家可以看标准手册查看具体定义，一般情况我们关注2种情况，即上升沿和下降沿TX_CTL/RX_CTL均为1，则认为是正常传输，没有发生错误。如果TX_CTL/RX_CTL在时钟上升沿为1，下降沿为0，则认为数据发生错误。

RGMII 规定时钟和数据将由发送源同时生成，这需要在时钟和数据之间引入偏移（如上图）。可以通过 PCB 走线或发送/接收节点的内部延迟来实现偏移，以实现标准规定的接口时序要求（如下图RGMII2.0的时序）。

2恢复工程

关于源文件的基本介绍以及仓库地址，参阅“FPGA/IC优质开源项目（一）”一文，仓库地址我也贴到此处：

https://github.com/alexforencich/verilog-ethernet.git

下载源码，进入example目录下，根据自己的板子选择例程，例如Kintex7（KC705的板子），选择rgmii，也可以根据自己板子接口选择其他的，进入fpga目录，用编辑器打开Makefile，即可看见该项目需要的文件，自己建立工程综合即可。

参阅“如何通过makefile实现Vivado自动化编译”文章，注意在环境中添加Vivado路径。如果在example/KC705/rgmii/fpga目录下执行make all出现错误，则用编辑器打开makefile文件把路径中eth路径全部换成../../../..注意执行make all会最后执行下载调试，建议把makefile里面的program命令删除，否则最后还是会有报错。

在Linux下恢复是最方便的，亦安也推荐大家使用Linux环境进行开发，执行cd命令进入开源目录，进入KC705，进入rgmii，进入fpga目录，执行make all命令，如果出现错误，处理方法如上。

总结

后续会继续出模块仿真的文章，也欢迎大家和我讨论数字相关的问题。

1. ADI模拟对话53-03（2019年3月期刊）作者：Volker E. Goller
2. TCP/IP入门经典【美】Joe Casad 著（第5版）
3. TI，以太网PHY简介
4. TI，RGMII时序
5. 赛灵思官网文档：PG292
6. 赛灵思官网文档：PG210
7. 赛灵思官网文档：PG211
8. 米联FPGA 以太网 UDP 通信方案(PL)