FPGA高端项目：纯verilog的 25G-UDP 高速协议栈，提供工程源码和技术支持

2024-01-08 09:45:54

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FPGA高端项目：纯verilog的 25G-UDP 高速协议栈，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，但中间的FIFO或者RAM等调用了IP，或者不带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；
5：真正意义上的verilog实现的UDP协议栈，真正意义上的verilog实现意思是UDP协议栈全部代码均使用verilog代码，不适用任何IP核，包括FIFO、RAM等，这样的UDP协议栈移植性很强，这样的协议栈在市面上也很少，几乎很难得到，而很设计就是这样的协议栈，呵呵。。。

本设计使用纯verilog实现的25G-UDP 高速协议栈实现25G-UDP回环通信测试，之所以只用到了数据回环模式，是因为本设计旨在为用户提供一个可任意移植修改的25G-UDP协议栈架构，用户可通过此架构任意创建自己的项目，自由度和开放性极强；基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了1套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx系列FPGA，开发工具适用于Xilinx的vivado，使用的FPGAGT高速资源为GTY，板载连接光口包括SFP、QSFP；

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；

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、相关方案推荐

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，对网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往

本协议栈的 1G-UDP版本

本UDP协议栈支持1G、10G、25G速率，本文介绍的是10G速率的应用，之前写过一篇博客介绍本协议栈1G速率的应用，在1G模式下，基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了11套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx和Altera，开发工具适用于Xilinx的vivado和Altera的Quartus，网络PHY芯片支持MII、GMII、RGMII、SGMII等，对千兆网UDP网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往

本协议栈的 10G-UDP版本

本UDP协议栈支持1G、10G、25G速率，本文介绍的是1G速率的应用，之前写过一篇博客介绍本协议栈10G速率的应用，在10G模式下，基于市面上主流和占有率较高的FPGA器件，创建了7套工程源码，FPGA器件适用于Xilinx，开发工具适用于Xilinx的vivado，高速接口资源使用到了GTH、GTY、10G Ethernet PCS/PMA(10GBASE-R/KR)等，对10G UDP网络通信有需求的兄弟可以去看看：
直接点击前往

1G 千兆网 TCP–>服务器 方案

TCP分为服务器和客户端，两者代码是不一样的，看具体需求，既然本博客介绍的是TCP客户端，那么肯定就有TCP服务器，本来TCP服务器之前一直都有，但一直没有调通，经过两年半的练习调试，总算是调通了；TCP服务器依然是4套工程源码，我另外写了一篇博客介绍TCP服务器，感兴趣的朋友可以去看看：直接点击前往

1G 千兆网 TCP–>客户端 方案

TCP分为服务器和客户端，两者代码是不一样的，看具体需求，既然本博客介绍的是TCP服务器，那么肯定就有TCP客户端，本来TCP客户端之前一直都有，但一直没有调通，经过两年半的练习调试，总算是调通了；TCP客户端依然是4套工程源码，我另外写了一篇博客介绍TCP客户端，感兴趣的朋友可以去看看：直接点击前往

10G 万兆网 TCP–>服务器+客户端 方案

我这里也有10G 万兆网 TCP 方案，该方案有服务器和客户端两套代码，在Xilinx KU和KUP等平台测试通过并很稳定，对10G 万兆网 TCP 方案感兴趣的朋友可以去看看：直接点击前往

3、该UDP协议栈性能

1：纯verilog实现，没有用到任何一个IP核；
2：移植性天花板，该协议栈可在Xilinx、Altera等各大FPGA型号之间任意移植，因为是没有任何IP，源语也有参数可选择；
3：适应性强，目前已在RTL8211、B50610、88E1518等多款phy上成功测试，也可以用GT资源的SFP接口实现10G-UDP协议的以太网通信；支持MII、GMII、RGMII、SGMII等PHY接口；
4：时序收敛很到位；
5：动态ARP功能；
6：不带ping功能；
7：用户接口数据位宽高达64bit；
8：最高支持25G速率，本设计使用25G；

4、详细设计方案

设计架构框图

详细设计方案如下框图：
在这里插入图片描述
由于我的FPGA开发板板载TI的DP83867ISRGZ网络芯片和QSFP光口，且逻辑资源很丰富，所以利用GTY+QSFP光口做 25G-UDP 高速协议栈，另外用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII+TI的DP83867ISRGZ做SGMII接口的1G-千兆网UDP 协议栈，相当于在一个工程里同事做了两个UDP数据通路，一个是25G-UDP，使用QSFP接口；另一个是1G-UDP，使用SGMII接口；两个UDP数据通路使用同一个25G-UDP 高速协议栈，代码里有axis_adapter.v模块负责将1G-UDP的8bit数据位宽转换到64bit数据位宽的25G-UDP数据，另外还有一个axis_switch.v模块负责1G-UDP数据和25G-UDP数据进出25G-UDP 高速协议栈的仲裁，具体的数据交互由板载的两个按键控制，具体切换逻辑如下：
默认使用 25G-UDP 进出25G-UDP 高速协议栈后做回环；
按键3按下,SGMII接口的 1G-UDP 数据将插入 QSFP接口的 25G-UDP 数据通路；
按键2按下,输入QSFP接口的25G-UDP数据–>25G-MAC–>UDP协议栈–>1G-MAC–>SGMII接口输出；简单说就是: 25G-UDP数据输入转1G-UDP输出, QSFP接收转SGMII发送；
不按按键2,输入SGMII接口的1G-UDP数据–>1G-MAC–>UDP协议栈–>25G-MAC–>QSFP接口输出；简单说就是: 1G-UDP数据输入转25G-UDP输出, SGMII接收转QSFP发送；
板子上电后默认就只有QSFP接口的25G-UDP数据参与了回环通路，SGMII接口的1G-UDP数据被无视；

网络调试助手

这只是一个回环测试工具，常用的Win软件，用来测试UDP数据收发；无需多言；

GT资源使用

本设计包含了25G-UDP和1G-UDP数据通路，默认使用25G-UDP数据进入UDP 高速协议栈进行数据回环，要使用1G-UDP数据通路则需要按键切换；两种不同速率的UDP数据通路都用到了TG高速接口资源，其中25G-UDP直接调用GTY，选择10GBASE-R*协议，该协议可用于网络数据包的编解码；1G-UDP直接调用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，选择GBASE-R协议1G速率SGMII接口，该协议可用于网络数据包的编解码；具体细节会在后面章节介绍；

GTY–10GBASE-R*协议使用

25G-UDP数据通路使用该方案，GTY IP调用和配置如下：
在这里插入图片描述
IP主要的配置界面如上图，详细配置界面请参考工程；该IP输出并行数据，注意，这里输出的仅仅是解串之后的数据，并未实现数据对齐和接口转换功能，数据将交给25G-PHY层做进一步处理；IP使用GTY–10GBASE-R*协议，64/66B编解码；

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII 使用

1G-UDP数据通路使用该方案，1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP调用和配置如下：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
IP主要的配置界面如上图，详细配置界面请参考工程；使用1G速率，对应的GT参考时钟必须为125M，使用SGMII接口，需对接相应的PHY，本设计使用的PHY型号为TI 的 DP83867ISRGZ 网络芯片，也可以使用较为常见的88E1111等PHY；该IP的输入接口为SGMII，输出接口为GMII，也就是说用户接口为GMII，这就为1G-MAC的实现带来了极大地便利；

25G-PHY层

25G-UDP数据通路使用该方案，25G-PHY层由verilog代码实现，没有使用任何IP，是实现和GTY对接做数据处理和接口转换的功能模块，该模块主要实现两个功能：一是数据的处理，包括GT资源送出的数据加解扰、数据对齐、数据校验、数据帧同步、误码率监控、HDR看门狗(该功能实际并未用到)；二是数据接口的转换，将PHY侧的并行数据转换为XGMII数据流；对于接收而言，就是数据解扰、数据对齐、数据校验、各种监测、PHY转XGMII，对于发送则是反过来的；25G-PHY层代码位置如下：需要注意的是，这个PHY层为10G和25G通用的，所以代码命名上延续了10G的命名规则；
在这里插入图片描述

25G-MAC层

10G-MAC层由verilog代码实现，没有使用任何IP，是实现和10G-PHY层对接做数据接口转换和数据跨时钟域转换的功能模块；该模块主要实现两个功能：一是接口转换，二是据跨时钟域转换；对于接收来说，首先将XGMII数据流转换为AXI4-Stream数据流，再对AXI4-Stream数据流做跨时钟域转换，从PHY侧时钟域转换到UDP侧时钟域，整个过程都用到CRC校验，虽然耗时增加，但数据误码率降低，如果对时延有苛刻要求，可去掉校验；发送则于接收相反；10G-MAC层代码位置如下：需要注意的是，这个MAC层为10G和25G通用的，所以代码命名上延续了10G的命名规则；
在这里插入图片描述

1G-MAC层

1G-UDP数据通路使用该方案，由于PHY层用到了1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，该IP直接输出GMII接口数据，所以1G-MAC层就变得非常简单了，只需要将GMII转为AXI4-Stream即可，代码位置如下：
在这里插入图片描述

1G-MAC数据位宽转换

代码里有axis_adapter.v模块负责将1G-UDP的8bit数据位宽转换到64bit数据位宽的25G-UDP数据，因为1G-UDP通路的数据要进入25G-UDP通路，数据位宽必须一致，axis_adapter.v模块由纯verilog实现，代码位置如下：
在这里插入图片描述
需要注意的是，1G-UDP通路的MAC数据才需要用到axis_adapter.v模块，1G-UDP通路的MAC数据本身就是64bit的，不需要转换；

AXI4-Stream 总线仲裁

axis_switch.v模块负责1G-UDP数据和25G-UDP数据进出25G-UDP 高速协议栈的仲裁，具体的数据交互由板载的两个按键控制，具体切换逻辑如下：
默认使用 25G-UDP 进出25G-UDP 高速协议栈后做回环；
按键3按下,SGMII接口的 1G-UDP 数据将插入 QSFP接口的 25G-UDP 数据通路；
按键2按下,输入QSFP接口的25G-UDP数据–>25G-MAC–>UDP协议栈–>1G-MAC–>SGMII接口输出；简单说就是: 25G-UDP数据输入转1G-UDP输出, QSFP接收转SGMII发送；
不按按键2,输入SGMII接口的1G-UDP数据–>1G-MAC–>UDP协议栈–>25G-MAC–>QSFP接口输出；简单说就是: 1G-UDP数据输入转25G-UDP输出, SGMII接收转QSFP发送；
板子上电后默认就只有QSFP接口的25G-UDP数据参与了回环通路，SGMII接口的1G-UDP数据被无视；
切换逻辑具体代码如下：位于fpga_core.v；
在这里插入图片描述
axis_switch.v模块代码位置如下：
在这里插入图片描述

AXI4-Stream FIFO

网络数据经过MAC层和AXI4-Stream 总线仲裁后，输出的是AXI4-Stream数据流，如果直接将数据送入25G-UDP 高速协议栈，有数据冲突的风险，为了降低这种风险，使用纯verilog实现的AXI4-Stream FIFO作为缓冲，在MAC层与UDP协议栈之间建立“桥梁”，MAC层解析出来的例如原MAC地址、目的MAC地址等信息也通过AXI4-Stream FIFO转发；AXI4-Stream FIFO代码位置如下：
在这里插入图片描述

25G-UDP 高速协议栈

25G-UDP协议栈的功能就是用verilog硬件描述语言完成标准UDP协议；它由动态ARP层、IP层、UDP层构成，动态ARP层完成ARP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取ARP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成ARP协议的数据帧，作为以太网数据帧的ARP数据段；代码中设置了ARP动态缓存，即arp_cache，收发两端都进行crc校验；于千兆UDP 协议栈不同的是，25G-UDP 高速协议栈的用户接口数据位宽为64bit；

IP层完成IP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取IP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成IP协议的数据帧，作为以太网数据帧的IP数据段；IP层与动态ARP层是数据交互的，模块相互包含，代码架构无法明显划分；

UDP层完成UDP协议内容的数据收发，对于接收端来说是数据帧解包，从以太网数据帧中提取UDP数据段的有效数据，对于发送端来说是数据帧组包，将用户端发来的有效数据封装成UDP协议的数据帧，作为以太网数据帧的UDP数据段；IP层与动态ARP层是数据交互的，模块相互包含，代码架构无法明显划分；UDP层会对UDP数据做前后检验；

UDP协议栈架构封装后代码位置如下：需要注意的是，这个UDP 高速协议栈为10G和25G通用的，所以代码命名上延续了10G的命名规则；
在这里插入图片描述
UDP协议栈是直接与用户逻辑数据对接的接口，所以对于FPGAS开发者而言，只要知道了UDP协议栈的数据接口，就能在用户侧编写与之对接的时序来控制数据收发，UDP协议栈的接口时序为AXI4-Stream，时序如下：

   发送端时序如下：
                                __    __    __    __    __    __    __
    clk                      __/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__/  \__
                             ______________                    ___________
    s_eth_hdr_valid                         \_________________/
                                       _____ 
    s_eth_hdr_ready           ________/     \_____________________________
                                       _____
    s_eth_dest_mac            XXXXXXXXX_DMAC_XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
                                       _____
    s_eth_dest_mac            XXXXXXXXX_SMAC_XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
                                       ___________ _____ _____
    s_eth_payload_axis_tdata  XXXXXXXXX_A0________X_A1__X_A2__XXXXXXXXXXXX
                                       _______________________
    s_eth_payload_axis_tvalid ________/                       \___________
                                             _________________
    s_eth_payload_axis_tready ______________/                 \___________
                                                         _____
    s_eth_payload_axis_tlast  __________________________/     \___________

    s_eth_payload_axis_tuser  ____________________________________________
	
	接收端时序与发送端一样；

IP地址修改

FPGA与PC通信而言，FPGA作为UDP服务器，PC作为UDP客户端，需要在FPGA代码里设置MAC、IP等配置信息，这是UDP通信的重要信息，开发者至少需要知道该部分代码的位置，甚至根据自己的需要修改，代码的位置如下：
在这里插入图片描述
可以看到，我这里的配置如下：
FPGA开发板MAC地址：02-00-00-00-00-00；
FPGA开发板IP地址：192.168.1.128；
FPGA开发板网关：192.168.1.1；
FPGA开发板子网掩码：255.255.255.0；
那么PC端的IP地址应该设为多少呢？
因为在回环代码里写成了发送的目的IP=接收到的目的IP，所以只需要在PC端设置与192.168.1.128网段一样的IP地址即可，比如我在测试时设置PC端IP地址为：192.168.1.10；如下：
在这里插入图片描述
当然，你也可以配置为192.168.1.11、192.168.1.12、192.168.1.100等等；
默认的FPGA开发板和PC端的端口号都是1234；代码的位置如下：
在这里插入图片描述
这部分代码位于fpga_core.v；

UDP数据回环

之所以只用到了数据回环模式，是因为本设计旨在为用户提供一个可任意一直修改的UDP协议栈架构，用户可通过此架构任意创建自己的项目，自由度和开放性极强；使用一个纯verilog实现的AXI4-Stream FIFO来做数据回环操作，因为UDP协议栈的用户数据接口正是AXI4-Stream数据流，代码的位置如下：
在这里插入图片描述
代码里直接用assign语句将AXI4-Stream FIFO的收发两端连接，如下：
在这里插入图片描述
AXI4-Stream FIFO配置为了8192，如果你的FPGA逻辑资源较小，配置为1024就可以了；
这部分代码位于fpga_core.v；

总体代码架构

工程代码架构如下：
在这里插入图片描述

5、工程源码 详解

开发板FPGA型号：Xilinx Virtex UltraScale+ XCVU9P–xcvu9p-flga2104-2L-e；
开发环境：Vivado 2022.2；
GT资源：GTY；
输入\输出：QSFP光口和SGMII接口的PHY；
测试项：数据回环收发；
工程代码架构参考第4章节的“总体代码架构”小节；
FPGA资源消耗和功耗预估如下；
在这里插入图片描述

6、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；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：
在这里插入图片描述
打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：
在这里插入图片描述
此时需要升级IP，操作如下：
在这里插入图片描述
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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：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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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；

7、上板调试验证并演示

准备工作

需要准备以下物品：
1：FPGA开发板；
2：光纤；
3：支持25G的网卡一张；
4：上位机电脑，台式或笔记本；
5：网络调试助手；
连接如下，然后上电下载bit：
在这里插入图片描述
首先设置电脑端IP如下：
在这里插入图片描述
开发板的IP地址在代码中的设置如下，在fpga_core.v里，可以自由修改：
在这里插入图片描述

查看ARP

打开cmd，输入 arp -a查看电脑的arp缓存表，如下：
在这里插入图片描述

UDP数据回环测试

打开网络调试助手并配置，如下：
在这里插入图片描述
单次发送数据测试结果如下：
在这里插入图片描述
循环发送数据测试结果如下，1秒时间间隔循环：
在这里插入图片描述

8、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：
在这里插入图片描述
25G-UDP 高速协议栈源码文件夹如下：
在这里插入图片描述

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_41667729/article/details/135393177
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