基于FPGA的UDP协议栈设计第一章_MAC层设计

顺子学不会FPGA2024-03-25 5:07

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前言：以太网MAC层报文解析


前导码 ：7个0h55和一个起始界定符SFD，0hD5，不过大部分地方好像是7个0hAA，就是bit顺序相反，不过我用FPGA接收到的上位机的网口数据是55，估计是大小端传输问题吧。注 ：有时候有可能是六个55一个D5

类型：IP：0X0800。ARP：0X0806

一、MAC发送模块

发送模块按部就班按照协议格式进行组帧即可，木有难度，只有俩点注意一下。

1.1、组帧FIFO

用户进入的数据需要先存入FIFO，因为用户数据不能立马填入MAC帧当中，需要先填充前面的前导码，MAC地址等内容

1.1、发送端CRC校验码

直接通过网址http://crctool.easics.be/产生相应的CRC校验模块即可。

简单介绍一下代码如何使用：

原始文件：下载下来是这样的

c 复制代码 
module CRC32_D8;

  // polynomial: x^32 + x^26 + x^23 + x^22 + x^16 + x^12 + x^11 + x^10 + x^8 + x^7 + x^5 + x^4 + x^2 + x^1 + 1
  // data width: 8
  // convention: the first serial bit is D[7]
  function [31:0] nextCRC32_D8;

    input [7:0] Data;
    input [31:0] crc;
    reg [7:0] d;
    reg [31:0] c;
    reg [31:0] newcrc;
  begin
    d = Data;
    c = crc;

    newcrc[0] = d[6] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[30];
    newcrc[1] = d[7] ^ d[6] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[2] = d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[3] = d[7] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[31];
    newcrc[4] = d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30];
    newcrc[5] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[6] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[7] = d[7] ^ d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29] ^ c[31];
    newcrc[8] = d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28];
    newcrc[9] = d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29];
    newcrc[10] = d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[2] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29];
    newcrc[11] = d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[3] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28];
    newcrc[12] = d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[4] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30];
    newcrc[13] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[5] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[14] = d[7] ^ d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[2] ^ c[6] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[15] = d[7] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[3] ^ c[7] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[31];
    newcrc[16] = d[5] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[8] ^ c[24] ^ c[28] ^ c[29];
    newcrc[17] = d[6] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[9] ^ c[25] ^ c[29] ^ c[30];
    newcrc[18] = d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[10] ^ c[26] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[19] = d[7] ^ d[3] ^ c[11] ^ c[27] ^ c[31];
    newcrc[20] = d[4] ^ c[12] ^ c[28];
    newcrc[21] = d[5] ^ c[13] ^ c[29];
    newcrc[22] = d[0] ^ c[14] ^ c[24];
    newcrc[23] = d[6] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[15] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[30];
    newcrc[24] = d[7] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[16] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[31];
    newcrc[25] = d[3] ^ d[2] ^ c[17] ^ c[26] ^ c[27];
    newcrc[26] = d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[0] ^ c[18] ^ c[24] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30];
    newcrc[27] = d[7] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[1] ^ c[19] ^ c[25] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[31];
    newcrc[28] = d[6] ^ d[5] ^ d[2] ^ c[20] ^ c[26] ^ c[29] ^ c[30];
    newcrc[29] = d[7] ^ d[6] ^ d[3] ^ c[21] ^ c[27] ^ c[30] ^ c[31];
    newcrc[30] = d[7] ^ d[4] ^ c[22] ^ c[28] ^ c[31];
    newcrc[31] = d[5] ^ c[23] ^ c[29];
    nextCRC32_D8 = newcrc;
  end
  endfunction
endmodule

具体实现可以看看其他文章介绍，每一个8bit数据的校验结果都用来和下一个8bit进行计算。前导码不参与校验

原始文件是一个function函数的形式，我们一般使用module的形式进行调用。记得进行大小端翻转。

c 复制代码 
module CRC32_D8(
	input			i_clk	,
	input			i_rst	,
	input			i_en	,
	input  [7 :0]	i_data	,
	output [31:0]	o_crc	
);

reg  [31:0] crc;
wire [7 :0] d;
wire [31:0] c;
wire [31:0] newcrc;
assign	o_crc = ~{crc[0] ,crc[1] ,crc[2] ,crc[3] ,crc[4] ,crc[5] ,crc[6] ,crc[7] ,
				  crc[8] ,crc[9] ,crc[10],crc[11],crc[12],crc[13],crc[14],crc[15],
				  crc[16],crc[17],crc[18],crc[19],crc[20],crc[21],crc[22],crc[23],
				  crc[24],crc[25],crc[26],crc[27],crc[28],crc[29],crc[30],crc[31]};

assign	d = {i_data[0],i_data[1],i_data[2],i_data[3],i_data[4],i_data[5],i_data[6],i_data[7]};
assign	c = crc;
assign	newcrc[0] = d[6] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[30];
assign	newcrc[1] = d[7] ^ d[6] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[2] = d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[3] = d[7] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[31];
assign	newcrc[4] = d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30];
assign	newcrc[5] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[6] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[7] = d[7] ^ d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29] ^ c[31];
assign	newcrc[8] = d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28];
assign	newcrc[9] = d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29];
assign	newcrc[10] = d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[0] ^ c[2] ^ c[24] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29];
assign	newcrc[11] = d[4] ^ d[3] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[3] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[27] ^ c[28];
assign	newcrc[12] = d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[2] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[4] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[30];
assign	newcrc[13] = d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[5] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[29] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[14] = d[7] ^ d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[2] ^ c[6] ^ c[26] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[15] = d[7] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[3] ^ c[7] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[31];
assign	newcrc[16] = d[5] ^ d[4] ^ d[0] ^ c[8] ^ c[24] ^ c[28] ^ c[29];
assign	newcrc[17] = d[6] ^ d[5] ^ d[1] ^ c[9] ^ c[25] ^ c[29] ^ c[30];
assign	newcrc[18] = d[7] ^ d[6] ^ d[2] ^ c[10] ^ c[26] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[19] = d[7] ^ d[3] ^ c[11] ^ c[27] ^ c[31];
assign	newcrc[20] = d[4] ^ c[12] ^ c[28];
assign	newcrc[21] = d[5] ^ c[13] ^ c[29];
assign	newcrc[22] = d[0] ^ c[14] ^ c[24];
assign	newcrc[23] = d[6] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[15] ^ c[24] ^ c[25] ^ c[30];
assign	newcrc[24] = d[7] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[16] ^ c[25] ^ c[26] ^ c[31];
assign	newcrc[25] = d[3] ^ d[2] ^ c[17] ^ c[26] ^ c[27];
assign	newcrc[26] = d[6] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[0] ^ c[18] ^ c[24] ^ c[27] ^ c[28] ^ c[30];
assign	newcrc[27] = d[7] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[1] ^ c[19] ^ c[25] ^ c[28] ^ c[29] ^ c[31];
assign	newcrc[28] = d[6] ^ d[5] ^ d[2] ^ c[20] ^ c[26] ^ c[29] ^ c[30];
assign	newcrc[29] = d[7] ^ d[6] ^ d[3] ^ c[21] ^ c[27] ^ c[30] ^ c[31];
assign	newcrc[30] = d[7] ^ d[4] ^ c[22] ^ c[28] ^ c[31];
assign	newcrc[31] = d[5] ^ c[23] ^ c[29];

always @(posedge i_clk or posedge i_rst) begin
	if(i_rst)
		crc <= 32'hffffffff;
	else if(i_en)
		crc <= newcrc;
	else
		crc <= crc;
end

endmodule

二、MAC接收模块

2.1、接收端CRC校验

接收模块对数据逐字节按照协议进行解析即可，并且要比对CRC校验结果，把前面的前导码去掉很简单，那么要怎么去除后面四个byte的校验码呢，此时需要对数据进行打拍处理，比如把数据打5拍，第一拍数据结束的时候，第五拍数据刚好就是在有效数据刚刚结束的地方，如黄线部分。

接收到的CRC校验可以通过第一拍数据进行不断移位操作便可以得到；本地则对第五拍数据进行校验，即可同步得到接收报文里面的CRC和本地检查结果的CRC。进行对比，得出结论。

2.1、接收端CRC处理模块

该模块需要实现以下功能：将MAC_RX接收到的数据同步存储到本地RAM，然后根据MAC_RX模块得到的校验结果决定该数据需要继续向上一层传输（CRC比对正确）还是直接丢弃（CRC比对错误）。

1、设计思路

具体实现过程是通过一个环形RAM，随着接收数据的进入，会一个个存入RAM当中，并且地址进行累加，如果CRC正确，那么地址则停留在此，不进行回退，如果数据错误，那么RAM地址则直接回退到上一次写数据结束的地方，因此就可以通过覆盖此数据以实现将数据丢弃的功能。

2、考虑问题

在此过程中还需要记录每一次数据的类型和长度，同步存储到相应的FIFO当中。这是为什么呢？

首先我们考虑设计的RAM最大长度，由于MAC数据最大长度为1500，所以RAM最小为1500，当到达一个1500的数据后，它会先存入RAM，随后等待校验结果，正确则开始输出，倘若随后来到的数据包很小，比如连续到达俩个46的数据包，而此时第一个1500的数据包依旧还在发送，所以我们必须要将每一个到达的数据的类型和长度都存入FIFO，才能够在后续发送他们的时候知道他们的长度和类型，如果不知道数据长度，就没办法正确从RAM中将他们读出。

总结

除了CRC相关模块以外，并没有其它难度，完整代码可以参考本人GitHub：https://github.com/shun6-6/Tri_Eth_UDP_pro_stack

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