【RK3568+PG2L50H开发板实验例程】FPGA部分

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1.实验简介

实验目的：

完成 DDR3 的读写测试。

实验环境：

Window11 PDS2022.2-SP6.4

芯片型号：

PG2L50H-484

2.实验原理

2.1. 开发板以太网接口简介

开发板使用裕泰微的裕太微电子的 YT8521SH-CA 实现了一个 10/100/1000 以太网端口。使用时需要用到光电转换模块，通过网线连接电脑的网口和光电转换模块的电口即可完成通信。

2.2. 以太网协议简介

2.2.1. 以太网帧格式

前导码（Preamble）：8 字节，连续 7 个 8’h55 加 1 个 8’hd5，表示一个帧的开始，用于双方；设备数据的同步。

目的 MAC 地址：6 字节，存放目的设备的物理地址，即 MAC 地址；源 MAC 地址：6 字节，存放发送端设备的物理地址；

类型：2 字节，用于指定协议类型，常用的有 0800 表示 IP 协议，0806 表示 ARP 协议，

8035 表示 RARP 协议；

数据：46 到 1500 字节，最少 46 字节，不足需要补全 46 字节，例如 IP 协议层就包含在数据部分，包括其 IP 头及数据。

FCS：帧尾，4 字节，称为帧校验序列，采用 32 位 CRC 校验，对目的 MAC 地址字段到数据字段进行校验。

进一步扩展，以 UDP 协议为例，可以看到其结构如下，除了以太网首部的 14 字节，数据部分包含 IP 首部，UDP 首部，应用数据共 46~1500 字节。

2.2.2. ARP 数据报格式

ARP 地址解析协议，即 ARP（Address Resolution Protocol），根据 IP 地址获取物理地址。主机发送包含目的 IP 地址的 ARP 请求广播（MAC 地址为 48’hff_ff_ff_ff_ff_ff）到网络上的主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址，收到返回消息后将 IP 地址和物理地址保存到缓存中，并保留一段时间，下次请求时直接查询 ARP 缓存以节约资源。下图为 ARP 数据报格式。

帧类型：ARP 帧类型为两字节 0806；

硬件类型：指链路层网络类型，1 为以太网；

协议类型：指要转换的地址类型，采用 0x0800 IP 类型，之后的硬件地址长度和协议地址长度分别对应 6 和 4；

OP 字段中 1 表示 ARP 请求，2 表示 ARP 应答

例如：|ff ff ff ff ff ff|00 0a 35 01 fe c0|08 06|00 01|08 00|06|04|00 01|00 0a

35 01 fe c0|c0 a8 00 02| ff ff ff ff ff ff|c0 a8 00 03|

表示向 192.168.0.3 地址发送 ARP 请求。

|00 0a 35 01 fe c0 | 60 ab c1 a2 d5 15 |08 06|00 01|08 00|06|04|00 02| 60 ab c1 a2 d5 15|c0 a8 00 03|00 0a 35 01 fe c0|c0 a8 00 02|

表示向 192.168.0.2 地址发送 ARP 应答。

2.2.3. IP 数据包格式

因为 UDP 协议包只是 IP 包中的一种, 所以我们来介绍一下 IP 包的数据格式。下图为 IP分组的报文头格式，报文头的前 20 个字节是固定的，后面的可变

版本：占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)；

首部长度：占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)因此 IP 的首部

长度的最大值是 60 字节；

区分服务：占 8 位，用来获得更好的服务，在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过 1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用。一般的情况下都不使用这个字段；

总长度：占 16 位,指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535

字节总长度必须不超过最大传送单元 MTU

标识：占 16 位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识

标志（flag）：占 3 位，目前只有前两位有意义

MF 标志字段的最低位是 MF (More Fragment)，MF=1 表示后面“还有分片”。MF=0 表示最后一个分片；

DF 标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment)，只有当 DF=0 时才允许分片。

片偏移:占 12 位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位；

生存时间；占 8 位,记为 TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit 字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255；

协议；占 8 位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程, 1 表示为 ICMP 协议, 2 表示为 IGMP 协议, 6 表示为 TCP 协议, 17 表示为 UDP 协议；

首部检验和：占 16 位,只检验数据报的首部不检验数据部分，采用二进制反码求和，即将16 位数据相加后，再将进位与低 16 位相加，直到进位为 0，最后将 16 位取反；

源地址和目的地址：都各占 4 字节,分别记录源地址和目的地址；

2.2.4. UDP 协议

UDP 是 User Datagram Protocol（用户数据报协议）的英文缩写。UDP 只提供一种基本的、低延迟的被称为数据报的通讯。所谓数据报，就是一种自带寻址信息，从发送端走到接收端的数据包。UDP 协议经常用于图像传输、网络监控数据交换等数据传输速度要求比较高的场合。

UDP 协议的报头格式：

UDP 报头由 4 个域组成，其中每个域各占用 2 个字节，具体如下：

UDP 源端口号
目标端口号
数据报长度
校验和

UDP 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。数据发送一方将 UDP 数据报通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。

数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为 65535 字节。

不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到 8192 字节。

UDP 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此 UDP 协议可以检测是否出错。虽然 UDP 提供警告信息。

2.2.5. Ping功能

UDP 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此 UDP 协议可以检测是否出错。虽然 UDP 提供有错误检测，但检测到错误时，错误校正，只是简单地把损坏的消息段扔掉，或者给应用程序提供警告信息。

3.SMI(MDC/MDIO)总线接口

串行管理接口（ Serial Management Interface ），也被称作 MII 管理接口（ MII ManagementInterface），包括 MDC 和 MDIO 两条信号线。MDIO 是一个 PHY 的管理接口，用来读/写 PHY 的寄存器，以控制 PHY 的行为或获取 PHY 的状态，MDC 为 MDIO 提供时钟，由 MAC 端提供，在本实验中也就是 FPGA 端。在 RTL8211EG 文档里可以看到 MDC 的周期最小为 400ns，也就是最大时钟为 2.5MHz。

3.1. SMI 帧格式

如下图，为 SMI 的读写帧格式：

3.2. 读时序

可以看到在 Turn Around 状态下，第一个周期 MDIO 为高阻态，第二个周期由 PHY 端拉低。

3.3. 写时序

为了保证能够正确采集到数据，在 MDC 上升沿之前就把数据准备好，在本实验中为下降沿发送数据，上升沿接收数据。

4.实验设计

本实验以千兆以太网 RGMII 通信为例来设计 verilog 程序，会先发送预设的 UDP 数据到网络，每秒钟发送一次.程序分为两部分，分别为发送和接收，实现了 ARP，UDP 功能。

4.1. 发送部分

4.1.1. MAC 层发送

发送部分中，mac_tx.v 为 MAC 层发送模块，首先在 SEND_START 状态，等待 mac_tx_ready 信号，如果有效，表明 IP 或 ARP 的数据已经准备好，可以开始发送。再进入发送前导码状态，结束时发送 mac_data_req，请求 IP 或 ARP 的数据，之后进入发送数据状态，最后进入发送 CRC 状态。在发送数据过程中，需要同时进行 CRC 校验。前导码完成后就将上层协议数据发送出去，这个时候同样把这些上层数据放到 CRC32 模块中做序列生成，上层协议会给一个数据输出完成标志信号，这个时候 mac_tx 知道数据发送完成了，需要结束 CRC32 的序列生成，这个时候就开始提取 FCS，衔接数据之后发送出去。这样就连接了前导码---数据（Mac 帧）----FCS。之后跳转到结束状态，再回到 IDLE 状态，等待下一次的发送请求。

4.1.2. MAC 发送模式

工程中的 mac_tx_mode.v 为发送模式选择，根据发送模式是 IP 或 ARP 选择相应的信号与数据。

4.1.3. ARP 发送

发送部分中，arp_tx.v 为 ARP 发送模块，在 IDLE 状态下，等待 ARP 发送请求或 ARP 应答请求信号，之后进入请求或应答等待状态，并通知 MAC 层，数据已经准备好，等待 mac_data_req 信号，之后进入请求或应答数据发送状态。由于数据不足 46 字节，需要补全 46 字节发送。

4.1.4. IP 层发送

在发送部分，ip_tx.v 为 IP 层发送模块，在 IDLE 状态下，如果 ip_tx_req 有效，也就是 UDP 或 ICMP 发送请求信号，进入等待发送数据长度状态，之后进入产生校验和状态，校验和是将 IP 首部所有数据以 16 位相加，最后将进位再与低 16 位相加，直到进入为 0，再将低 16 位取反，得出校验和结果。

在生成校验和之后，等待 MAC 层数据请求，开始发送数据，并在即将结束发送 IP 首部后请求 UDP 或 ICMP 数据。等发送完，进入 IDLE 状态。

4.1.5. IP 发送模式

工程中的 ip_tx_mode.v 为发送模式选择，根据发送模式是 UDP 或 ICMP 选择相应的信号与数据。

4.1.6. UDP 发送

发送部分中，udp_tx.v 为 UDP 发送模块。

4.2. 接收部分

4.2.1. MAC 层接收

在接收部分，其中 mac_rx.v 为 mac 层接收文件，首先在 IDLE 状态下当 rx_en 信号为高，进入 REC_PREAMBLE 前导码状态，接收前导码。之后进入接收 MAC 头部状态，即目的 MAC 地址，源 MAC 地址，类型，将它们缓存起来，并在此状态判断前导码是否正确，错误则进入REC_ERROR 错误状态，在 REC_IDENTIFY 状态判断类型是 IP（8’h0800）或 ARP(8’h0806)。然后进入接收数据状态，将数据传送到 IP 或 ARP 模块，等待 IP 或 ARP 数据接收完毕，再接收 CRC 数据。并在接收数据的过程中对接收的数据进行 CRC 处理，将结果与接收到的 CRC 数据进行对比，判断数据是否接收正确，正确则结束，错误则进入 ERROR 状态。

4.2.2. ARP 接收

工程中的 arp_rx.v 为 ARP 接收模块，实现 ARP 数据接收，在 IDLE 状态下，接收到从 MAC 层发来的 arp_rx_req 信号，进入 ARP 接收状态，在此状态下，提取出目的 MAC 地址，源 MAC 地址，目的 IP 地址，源 IP 地址，并判断操作码 OP 是请求还是应答。如果是请求，则判断接收到的目的 IP 地址是否为本机地址，如果是，发送应答请求信号 arp_reply_req，如果不是，则忽略。如果 OP 是应答，则判断接收到的目的 IP 地址及目的 MAC 地址是否与本机一致，如果是，则拉高 arp_found 信号，表明接收到了对方的地址。并将对方的 MAC 地址及 IP 地址存入 ARP 缓存中。

4.2.3. IP 层接收模块

在工程中，ip_rx 为 IP 层接收模块，实现 IP 层的数据接收，信息提取，并进行校验和检查。首先在 IDLE 状态下，判断从 MAC 层发过来的 ip_rx_req 信号，进入接收 IP 首部状态，先在 REC_HEADER0 提取出首部长度及 IP 总长度，进入 REC_HEADER1 状态，在此状态提取出目的 IP 地址，源 IP 地址，协议类型，根据协议类型发送 udp_rx_req 或 icmp_rx_req。在接收首部的同时进行校验和的检查，将首部接收的所有数据相加，存入 32 位寄存器，再将高 16 位与低 16 位相加，直到高 16 位为 0 ，再将低 16 位取反，判断其是否为 0，如果是 0，则检验正确，否则错误，进入 IDLE 状态，丢弃此帧数据，等待下次接收。

4.2.4. UDP 接收

在工程中，udp_rx.v 为 UDP 接收模块，在此模块首先接收 UDP 首部，再接收数据部分，在接收的同时进行 UDP 校验和检查，如果 UDP 数据是奇数个字节，在计算校验和时，在最后一个字节后加上 8’h00，并进行校验和计算。校验方法与 IP 校验和一样，如果校验正确，将拉高 udp_rec_data_valid 信号，表明接收的 UDP 数据有效，否则无效，等待下次接收。