1、概括
前文通过FPGA实现了ARP和ICMP协议，ARP协议一般用来获取目的IP地址主机的MAC地址，ICMP通过回显请求和回显应答来判断以太网链路是否通畅，这两个协议都不是用来传输用户数据的。如果用户需要向PC端传输大量数据，那么就必须使用TCP或者UDP协议了。
网上关于UDP和TCP的优缺点对比其实很多，可以自行搜索，本文简要概括一下优缺点。
TCP优点是稳定，接收端接收到TCP数据报文后会回复发送端，如果接收的报文有误，发送端会把错误的报文重新发送一遍。而且TCP本来就有握手机制，所以数据的传输会更可靠。正是由于握手机制，导致实现的TCP协议的逻辑比较复杂，传输速度也不会很高，还需要更多存储资源取存储已经发送的数据，直到收到该数据传输无误后才能丢弃。因此FPGA一般不会采用该协议进行大量数据的传输（当然如果通过Verilog HDL实现可靠的TCP协议，那还是很有用的，毕竟这块的代码很贵）。
UDP优点是协议简单，没有握手机制，传输数据的速度就很快，这对于FPGA传输图像数据之类的设计比较实用。由于UDP没有握手机制，可靠性相比TCP就会低很多，有得必有失嘛。
因此，FPGA一般通过UDP协议向PC端发送大量数据，所以本文通过FPGA实现UDP协议。
2、UDP协议讲解
UDP协议的框图如下所示，与前文的ICMP协议构成类似，UDP协议数据报文位于IP的数据段，IP首部只有协议类型与ICMP协议类型参数不一致，ICMP的IP协议类型编号为1，UDP的IP协议类型编号为17。
前导码、帧起始符、以太网帧头、IP首部、FCS校验在前文讲解ARP协议和ICMP协议的时候都详细讲解过，所以本文就不再赘述了。
UDP的首部组成如下所示，包括源UDP源端口地址、UDP目的端口地址、UDP长度、UDP校验码。
源端口号：2个字节的发送端端口号，用于区分不同的发送端口。
目的端口号：2个字节的接收端端口号。
UDP长度：UDP首部和数据段的长度，单位字节，对于接收方来说该长度其实作用不大，因为UDP数据段的长度可以通过IP首部的总长度和IP首部长度计算出来。
UDP校验和：计算方式与IP首部校验和一致，需要对UDP伪首部、UDP首部、UDP数据进行校验。伪首部包括源IP地址、目的IP地址、协议类型、UDP长度。
这种校验方式其实对于FPGA来说很麻烦，因为校验码需要在数据之前发送，而计算校验码有需要得到数据，就意味着如果想要计算校验码，就必须使用存储资源把待发送的数据存起来，计算出校验码以后，才开始传输数据。比较友好的是该校验码可以直接置零处理（如果不做校验，该值必须为0，否则校验失败的数据报文会被直接丢弃）。不校验数据的UDP协议变得特别简单。
UDP协议的数据组成如下所示：
以太网的协议组成就介绍这么多了，最后注意在发送数据时，数据段必须大于等于18字节，少于18字节数据时，应补零凑齐18字节数据发送。
3、UDP顶层模块
UDP的设计与前文的ARP、ICMP模块设计差不多，UDP顶层模块如下图所示，包括UDP接收模块udp_rx、UDP接收的CRC校验模块、UDP的发送模块udp_tx、UDP发送的CRC校验模块。
UDP接收模块内部没有做IP首部校验，只做了CRC校验模块，在加上FPGA逻辑判断，基本上都能判断对错了，最后把接收的数据和数据个数输出。发送模块检测到开始发送信号后，开始发送信号，当发送到数据段之后，把数据请求信号拉高，从外部输入需要发送的数据流。
UDP顶层模块的参考代码如下所示：
//例化udP接收模块；
udp_rx #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),//开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55；
.BOARD_IP ( BOARD_IP ) //开发板IP地址 192.168.1.10；
)
u_udp_rx (
.clk ( gmii_rx_clk ),//时钟信号;
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效;
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),//GMII输入数据有效信号;
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),//GMII输入数据;
.crc_out ( rx_crc_out ),//CRC校验模块输出的数据；
.rx_done ( udp_rx_done ),//UDP接收完成信号，高电平有效；
.rx_data_vld ( rx_data_vld ),//以太网接收到有效数据指示信号；
.rx_data ( rx_data ),//以太网接收数据。
.data_byte_num ( udp_rx_byte_num ),//以太网接收的有效数据字节数 单位:byte
.des_port ( ),//UDP接收的目的端口号；
.source_port ( ),//UDP接收到的源端口号；
.crc_data ( rx_crc_data ),//需要CRC模块校验的数据;
.crc_en ( rx_crc_en ),//CRC开始校验使能;
.crc_clr ( rx_crc_clr ) //CRC数据复位信号;
);
//例化接收数据时需要的CRC校验模块；
crc32_d8 u_crc32_d8_rx (
.clk ( gmii_rx_clk ),//时钟信号;
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效;
.data ( rx_crc_data ),//需要CRC模块校验的数据;
.crc_en ( rx_crc_en ),//CRC开始校验使能;
.crc_clr ( rx_crc_clr ),//CRC数据复位信号;
.crc_out ( rx_crc_out ) //CRC校验模块输出的数据；
);
//例化UDP发送模块；
udp_tx #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),//开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55；
.BOARD_IP ( BOARD_IP ),//开发板IP地址 192.168.1.10；
.DES_MAC ( DES_MAC ),//目的MAC地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff；
.DES_IP ( DES_IP ),//目的IP地址 192.168.1.102；
.BOARD_PORT ( BOARD_PORT ),//板子的UDP端口号；
.DES_PORT ( DES_PORT ),//源端口号；
.ETH_TYPE ( ETH_TYPE ) //以太网帧类型，16'h0806表示ARP协议，16'h0800表示IP协议；
)
u_udp_tx (
.clk ( gmii_tx_clk ),//时钟信号;
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效;
.udp_tx_start ( udp_tx_start ),//UDP发送使能信号；
.tx_byte_num ( udp_tx_byte_num ),//UDP数据段需要发送的数据。
.des_mac ( des_mac ),//发送的目标MAC地址；
.des_ip ( des_ip ),//发送的目标IP地址；
.crc_out ( tx_crc_out ),//CRC校验数据；
.crc_en ( tx_crc_en ),//CRC开始校验使能；
.crc_clr ( tx_crc_clr ),//CRC数据复位信号；
.crc_data ( tx_crc_data ),//输出给CRC校验模块进行计算的数据；
.tx_data_req ( tx_data_req ),//需要发送数据请求信号；
.tx_data ( tx_data ),//需要发送的数据；
.gmii_tx_en ( gmii_tx_en ),//GMII输出数据有效信号；
.gmii_txd ( gmii_txd ),//GMII输出数据；
.rdy ( udp_tx_rdy ) //模块忙闲指示信号，高电平表示该模块处于空闲状态；
);
//例化发送数据时需要的CRC校验模块；
crc32_d8 u_crc32_d8_tx (
.clk ( gmii_tx_clk ),//时钟信号;
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效;
.data ( tx_crc_data ),//需要CRC模块校验的数据;
.crc_en ( tx_crc_en ),//CRC开始校验使能;
.crc_clr ( tx_crc_clr ),//CRC数据复位信号;
.crc_out ( tx_crc_out ) //CRC校验模块输出的数据；
);
对应的TestBench文件如下所示：
`timescale 1 ns/1 ns
module test();
localparam CYCLE = 8 ;//系统时钟周期，单位ns，默认8ns；
localparam RST_TIME = 10 ;//系统复位持续时间，默认10个系统时钟周期；
localparam STOP_TIME = 1000 ;//仿真运行时间，复位完成后运行1000个系统时钟后停止；
localparam BOARD_MAC = 48'h00_11_22_33_44_55 ;
localparam BOARD_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd10} ;
localparam BOARD_PORT = 16'd1234 ;//开发板的UDP端口号；
localparam DES_PORT = 16'd5678 ;//UDP目的端口号；
localparam DES_MAC = 48'h23_45_67_89_0a_bc ;
localparam DES_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd23} ;
localparam ETH_TYPE = 16'h0800 ;//以太网帧类型 IP
reg clk ;//系统时钟，默认100MHz；
reg rst_n ;//系统复位，默认低电平有效；
reg [7 : 0] tx_data ;
reg udp_tx_start ;
reg [15 : 0] udp_tx_byte_num ;
wire [7 : 0] gmii_rxd ;
wire gmii_rx_dv ;
wire gmii_tx_en ;
wire [7 : 0] gmii_txd ;
wire udp_rx_done ;
wire [15 : 0] udp_rx_byte_num ;
wire udp_tx_rdy ;
wire tx_data_req ;
wire rx_data_vld ;
wire [7 : 0] rx_data ;
assign gmii_rx_dv = gmii_tx_en;
assign gmii_rxd = gmii_txd;
udp #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),
.BOARD_IP ( BOARD_IP ),
.DES_MAC ( DES_MAC ),
.DES_IP ( DES_IP ),
.BOARD_PORT ( BOARD_PORT),//板子的UDP端口号；
.DES_PORT ( DES_PORT ),//源端口号；
.ETH_TYPE ( ETH_TYPE )
)
u_udp (
.rst_n ( rst_n ),
.gmii_rx_clk ( clk ),
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),
.gmii_tx_clk ( clk ),
.udp_tx_start ( udp_tx_start ),
.udp_tx_byte_num ( udp_tx_byte_num ),
.des_mac ( BOARD_MAC ),
.des_ip ( BOARD_IP ),
.gmii_tx_en ( gmii_tx_en ),
.gmii_txd ( gmii_txd ),
.udp_rx_done ( udp_rx_done ),
.udp_rx_byte_num ( udp_rx_byte_num ),
.udp_tx_rdy ( udp_tx_rdy ),
.rx_data ( rx_data ),
.rx_data_vld ( rx_data_vld ),
.tx_data_req ( tx_data_req ),
.tx_data ( tx_data )
);
//生成周期为CYCLE数值的系统时钟;
initial begin
clk = 0;
forever #(CYCLE/2) clk = ~clk;
end
//生成复位信号；
initial begin
#1;udp_tx_start = 0; udp_tx_byte_num = 19;tx_data = 0;
rst_n = 1;
#2;
rst_n = 0;//开始时复位10个时钟；
#(RST_TIME*CYCLE);
rst_n = 1;
#(20*CYCLE);
repeat(3)begin
udp_tx_start = 1'b1;
udp_tx_byte_num = {$random} % 64;//只产生64以内随机数，便于测试，不把数据报发的太长了；
#(CYCLE);
udp_tx_start = 1'b0;
#(CYCLE);
@(posedge udp_tx_rdy);
#(100*CYCLE);
end
#(20*CYCLE);
$stop;//停止仿真；
end
always@(posedge clk)begin
if(tx_data_req)begin//产生0~255随机数作为测试；
tx_data <= {$random} % 256;
end
end
endmodule
4、UDP接收模块
UDP接收模块与前文的ICMP接收模块的设计类似，都可以采用状态机嵌套一个计数器进行实现，状态机对应的状态转换图如下所示。
需要注意判断UDP首部的目的端口地址是不是开发板的端口地址，其余部分与ICMP的接收模块差不多，不在赘述了。
该模块对应的代码如下所示：
//The first section: synchronous timing always module, formatted to describe the transfer of the secondary register to the live register ?
always@(posedge clk)begin
if(!rst_n)begin
state_c <= IDLE;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
//The second paragraph: The combinational logic always module describes the state transition condition judgment.
always@(*)begin
case(state_c)
IDLE:begin
if(start)begin//检测到前导码和SFD后跳转到接收以太网帧头数据的状态。
state_n = ETH_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
ETH_HEAD:begin
if(error_flag)begin//在接收以太网帧头过程中检测到错误。
state_n = RX_END;
end
else if(end_cnt)begin//接收完以太网帧头数据，且没有出现错误，则继续接收IP协议数据。
state_n = IP_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
IP_HEAD:begin
if(error_flag)begin//在接收IP帧头过程中检测到错误。
state_n = RX_END;
end
else if(end_cnt)begin//接收完以IP帧头数据，且没有出现错误，则继续接收UDP协议数据。
state_n = UDP_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
UDP_HEAD:begin
if(error_flag)begin//在接收UDP协议帧头过程中检测到错误。
state_n = RX_END;
end
else if(end_cnt)begin//接收完以UDP帧头数据，且没有出现错误，则继续接收UDP数据。
state_n = UDP_DATA;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
UDP_DATA:begin
if(error_flag)begin//在接收UDP协议数据过程中检测到错误。
state_n = RX_END;
end
else if(end_cnt)begin//接收完UDP协议数据且未检测到数据错误。
state_n = CRC;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
CRC:begin
if(end_cnt)begin//接收完CRC校验数据。
state_n = RX_END;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
RX_END:begin
if(~gmii_rx_dv)begin//检测到数据线上数据无效。
state_n = IDLE;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
default:begin
state_n = IDLE;
end
endcase
end
//将输入数据保存6个时钟周期，用于检测前导码和SFD。
//注意后文的state_c与gmii_rxd_r[0]对齐。
always@(posedge clk)begin
gmii_rxd_r[6] <= gmii_rxd_r[5];
gmii_rxd_r[5] <= gmii_rxd_r[4];
gmii_rxd_r[4] <= gmii_rxd_r[3];
gmii_rxd_r[3] <= gmii_rxd_r[2];
gmii_rxd_r[2] <= gmii_rxd_r[1];
gmii_rxd_r[1] <= gmii_rxd_r[0];
gmii_rxd_r[0] <= gmii_rxd;
gmii_rx_dv_r <= {gmii_rx_dv_r[5 : 0],gmii_rx_dv};
end
//在状态机处于空闲状态下，检测到连续7个8'h55后又检测到一个8'hd5后表示检测到帧头，此时将介绍数据的开始信号拉高，其余时间保持为低电平。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
start <= 1'b0;
end
else if(state_c == IDLE)begin
start <= ({gmii_rx_dv_r,gmii_rx_dv} == 8'hFF) && ({gmii_rxd,gmii_rxd_r[0],gmii_rxd_r[1],gmii_rxd_r[2],gmii_rxd_r[3],gmii_rxd_r[4],gmii_rxd_r[5],gmii_rxd_r[6]} == 64'hD5_55_55_55_55_55_55_55);
end
end
//计数器，状态机在不同状态需要接收的数据个数不一样，使用一个可变进制的计数器。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt <= 0;
end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
else begin
cnt <= 0;
end
end
//当状态机不在空闲状态或接收数据结束阶段时计数，计数到该状态需要接收数据个数时清零。
assign add_cnt = (state_c != IDLE) && (state_c != RX_END) && gmii_rx_dv_r[0];
assign end_cnt = add_cnt && cnt == cnt_num - 1;
//状态机在不同状态，需要接收不同的数据个数，在接收以太网帧头时，需要接收14byte数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为20;
cnt_num <= 16'd20;
end
else begin
case(state_c)
ETH_HEAD : cnt_num <= 16'd14;//以太网帧头长度位14字节。
IP_HEAD : cnt_num <= ip_head_byte_num;//IP帧头为20字节数据。
UDP_HEAD : cnt_num <= 16'd8;//UDP帧头为8字节数据。
UDP_DATA : cnt_num <= udp_data_length;//UDP数据段需要根据数据长度进行变化。
CRC : cnt_num <= 16'd4;//CRC校验为4字节数据。
default: cnt_num <= 16'd20;
endcase
end
end
//接收目的MAC地址，需要判断这个包是不是发给开发板的，目的MAC地址是不是开发板的MAC地址或广播地址。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
des_mac_t <= 48'd0;
end
else if((state_c == ETH_HEAD) && add_cnt && cnt < 5'd6)begin
des_mac_t <= {des_mac_t[39:0],gmii_rxd_r[0]};
end
end
//判断接收的数据是否正确，以此来生成错误指示信号，判断状态机跳转。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
error_flag <= 1'b0;
end
else begin
case(state_c)
ETH_HEAD : begin
if(add_cnt)
if(cnt == 6)//判断接收的数据是不是发送给开发板或者广播数据。
error_flag <= ((des_mac_t != BOARD_MAC) && (des_mac_t != 48'HFF_FF_FF_FF_FF_FF));
else if(cnt ==12)//判断接收的数据是不是IP协议。
error_flag <= ({gmii_rxd_r[0],gmii_rxd} != ETH_TPYE);
end
IP_HEAD : begin
if(add_cnt)begin
if(cnt == 9)//如果当前接收的数据不是UDP协议，停止解析数据。
error_flag <= (gmii_rxd_r[0] != UDP_TYPE);
else if(cnt == 16'd18)//判断目的IP地址是否为开发板的IP地址。
error_flag <= ({des_ip,gmii_rxd_r[0],gmii_rxd} != BOARD_IP);
end
end
default: error_flag <= 1'b0;
endcase
end
end
//接收IP首部相关数据；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
ip_head_byte_num <= 6'd20;
ip_total_length <= 16'd28;
des_ip <= 16'd0;
udp_data_length <= 16'd0;
end
else if(state_c == IP_HEAD && add_cnt)begin
case(cnt)
16'd0 : ip_head_byte_num <= {gmii_rxd_r[0][3:0],2'd0};//接收IP首部的字节个数。
16'd2 : ip_total_length[15:8] <= gmii_rxd_r[0];//接收IP报文总长度的高八位数据。
16'd3 : ip_total_length[7:0] <= gmii_rxd_r[0];//接收IP报文总长度的低八位数据。
16'd4 : udp_data_length <= ip_total_length - ip_head_byte_num - 8;//计算UDP报文数据段的长度，UDP帧头为8字节数据。
16'd16,16'd17: des_ip <= {des_ip[7:0],gmii_rxd_r[0]};//接收目的IP地址。
default: ;
endcase
end
end
//接收UDP首部相关数据；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
des_port <= 16'd0;//目的端口号;
source_port <= 16'd0;//源端口号；
end
else if(state_c == UDP_HEAD && add_cnt)begin
case(cnt)
16'd0,16'd1 : source_port <= {source_port[7:0],gmii_rxd_r[0]};//接收源端口号。
16'd2,16'd3 : des_port <= {des_port[7:0],gmii_rxd_r[0]};//接收目的端口号。
default: ;
endcase
end
end
//接收UDP的数据段，并输出使能信号。
always@(posedge clk)begin
rx_data <= (state_c == UDP_DATA) ? gmii_rxd_r[0] : rx_data;//在接收UDP数据阶段时，接收数据。
rx_data_vld <= (state_c == UDP_DATA);//在接收数据阶段时，将FIFO写使能信号拉高，其余时间均拉低。
end
//生产CRC校验相关的数据和控制信号。
always@(posedge clk)begin
crc_data <= gmii_rxd_r[0];//将移位寄存器最低位存储的数据作为CRC输入模块的数据。
crc_clr <= (state_c == IDLE);//当状态机处于空闲状态时，清除CRC校验模块计算。
crc_en <= (state_c != IDLE) && (state_c != RX_END) && (state_c != CRC);//CRC校验使能信号。
end
//接收PC端发送来的CRC数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
des_crc <= 24'hff_ff_ff;
end
else if(add_cnt && state_c == CRC)begin//先接收的是低位数据；
des_crc <= {gmii_rxd_r[0],des_crc[23:8]};
end
end
//生成相应的输出数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
rx_done <= 1'b0;
data_byte_num <= 16'd0;
end//如果CRC校验成功，把UDP协议接收完成信号拉高，把接收到UDP数据个数和数据段的校验和输出。
else if(state_c == CRC && end_cnt && ({gmii_rxd_r[0],des_crc[23:0]} == crc_out))begin
rx_done <= 1'b1;
data_byte_num <= udp_data_length;
end
else begin
rx_done <= 1'b0;
end
end
该模块的仿真结果如下图所示，仿真表示该模块接收到三帧UDP数据，UDP数据段长度分别为36字节、19字节、54字节。橙色信号是gmii_rxd_r[0]，紫红色信号是状态机现态，粉色信号是计数器和计数器的最大值，黄色信号是CRC校验模块的清零、使能、输入信号、计算结果。天蓝色信号是接收到的UDP数据段信号。
将UDP接收模块接收的第二帧数据放大，如下图所示，天蓝色信号将UDP数据段内容稳定输出。当CRC校验无误后，将rx_done信号拉高，表示接收完一帧UDP数据报文。
UDP接收模块的仿真就这么多了，需要详细了解的可以打开工程进行查看，工程中有对应的TestBench文件。
5、UDP发送模块
UDP发送模块同样可以采用状态机和计数器作为主体架构实现，状态机对应的状态转换图如下所示。该模块的实现相对于ICMP发送模块会简单一点，不需要计算UDP校验码，只需要计算IP首部校验码即可。最后需要注意如果UDP数据段不足18个字节数据，需要补零填充到18字节数据。
该模块的核心代码如下所示，完整代码在工程中查看。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
ip_head[0] <= 32'd0;
ip_head[1] <= 32'd0;
ip_head[2] <= 32'd0;
ip_head[3] <= 32'd0;
ip_head[4] <= 32'd0;
udp_head[0] <= {BOARD_PORT,DES_PORT};
udp_head[1] <= 32'd0;
ip_head_check <= 32'd0;
des_ip_r <= DES_IP;
des_mac_r <= DES_MAC;
tx_byte_num_r <= MIN_DATA_NUM;
ip_total_num <= MIN_DATA_NUM + 28;
end
//在状态机空闲状态下，上游发送使能信号时，将目的MAC地址和目的IP以及UDP需要发送的数据个数进行暂存。
else if(state_c == IDLE && udp_tx_start)begin
udp_head[0] <= {BOARD_PORT,DES_PORT};//16位源端口和目的端口地址。
udp_head[1][31:16] <= (((tx_byte_num >= MIN_DATA_NUM) ? tx_byte_num : MIN_DATA_NUM) + 8);//计算UDP需要发送报文的长度。
tx_byte_num_r <= tx_byte_num;
//如果需要发送的数据多余最小长度要求，则发送的总数居等于需要发送的数据加上UDP和IP帧头数据。
ip_total_num <= (((tx_byte_num >= MIN_DATA_NUM) ? tx_byte_num : MIN_DATA_NUM) + 28);
if((des_mac != 48'd0) && (des_ip != 48'd0))begin//当接收到目的MAC地址和目的IP地址时更新。
des_ip_r <= des_ip;
des_mac_r <= des_mac;
end
end
//在发送以太网帧头时，就开始计算IP帧头和UDP的校验码，并将计算结果存储，便于后续直接发送。
else if(state_c == ETH_HEAD && add_cnt)begin
case (cnt)
16'd0 : begin//初始化需要发送的IP头部数据。
ip_head[0] <= {IP_VERSION,IP_HEAD_LEN,8'h00,ip_total_num[15:0]};//依次表示IP版本号，IP头部长度，IP服务类型，IP包的总长度。
ip_head[2] <= {8'h80,8'd17,16'd0};//分别表示生存时间，协议类型，1表示UDP，2表示IGMP，6表示TCP，17表示UDP协议，低16位校验和先默认为0；
ip_head[3] <= BOARD_IP;//源IP地址。
ip_head[4] <= des_ip_r;//目的IP地址。
end
16'd1 : begin//开始计算IP头部校验和数据，并且将计算结果存储到对应位置。
ip_head_check <= ip_head[0][31 : 16] + ip_head[0][15 : 0];
end
16'd2 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[1][31 : 16];
end
16'd3 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[1][15 : 0];
end
16'd4 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[2][31 : 16];
end
16'd5 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[3][31 : 16];
end
16'd6 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[3][15 : 0];
end
16'd7 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[4][31 : 16];
end
16'd8 : begin
ip_head_check <= ip_head_check + ip_head[4][15 : 0];
end
16'd9,16'd10 : begin
ip_head_check <= ip_head_check[31 : 16] + ip_head_check[15 : 0];
end
16'd11 : begin
ip_head[2][15:0] <= ~ip_head_check[15 : 0];
ip_head_check <= 32'd0;//校验和清零，用于下次计算。
end
default: begin
ip_head_check <= 32'd0;//校验和清零，用于下次计算。
end
endcase
end
else if(state_c == IP_HEAD && end_cnt)
ip_head[1] <= {ip_head[1][31:16]+1,16'h4000};//高16位表示标识，每次发送数据后会加1，低16位表示不分片。
end
//The first section: synchronous timing always module, formatted to describe the transfer of the secondary register to the live register ?
always@(posedge clk)begin
if(!rst_n)begin
state_c <= IDLE;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
//The second paragraph: The combinational logic always module describes the state transition condition judgment.
always@(*)begin
case(state_c)
IDLE:begin
if(udp_tx_start)begin//在空闲状态接收到上游发出的使能信号；
state_n = PREAMBLE;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
PREAMBLE:begin
if(end_cnt)begin//发送完前导码和SFD；
state_n = ETH_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
ETH_HEAD:begin
if(end_cnt)begin//发送完以太网帧头数据；
state_n = IP_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
IP_HEAD:begin
if(end_cnt)begin//发送完IP帧头数据；
state_n = UDP_HEAD;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
UDP_HEAD:begin
if(end_cnt)begin//发送完UDP帧头数据；
state_n = UDP_DATA;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
UDP_DATA:begin
if(end_cnt)begin//发送完udp协议数据；
state_n = CRC;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
CRC:begin
if(end_cnt)begin//发送完CRC校验码；
state_n = IDLE;
end
else begin
state_n = state_c;
end
end
default:begin
state_n = IDLE;
end
endcase
end
//计数器，用于记录每个状态机每个状态需要发送的数据个数，每个时钟周期发送1byte数据。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//
cnt <= 0;
end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
end
assign add_cnt = (state_c != IDLE);//状态机不在空闲状态时计数。
assign end_cnt = add_cnt && cnt == cnt_num - 1;//状态机对应状态发送完对应个数的数据。
//状态机在每个状态需要发送的数据个数。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为20;
cnt_num <= 16'd20;
end
else begin
case (state_c)
PREAMBLE : cnt_num <= 16'd8;//发送7个前导码和1个8'hd5。
ETH_HEAD : cnt_num <= 16'd14;//发送14字节的以太网帧头数据。
IP_HEAD : cnt_num <= 16'd20;//发送20个字节是IP帧头数据。
UDP_HEAD : cnt_num <= 16'd8;//发送8字节的UDP帧头数据。
UDP_DATA : if(tx_byte_num_r >= MIN_DATA_NUM)//如果需要发送的数据多余以太网最短数据要求，则发送指定个数数据。
cnt_num <= tx_byte_num_r;
else//否则需要将指定个数数据发送完成，不足长度补零，达到最短的以太网帧要求。
cnt_num <= MIN_DATA_NUM;
CRC : cnt_num <= 6'd5;//CRC在时钟1时才开始发送数据，这是因为CRC计算模块输出的数据会延后一个时钟周期。
default: cnt_num <= 6'd20;
endcase
end
end
//根据状态机和计数器的值产生输出数据，只不过这不是真正的输出，还需要延迟一个时钟周期。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
crc_data <= 8'd0;
end
else if(add_cnt)begin
case (state_c)
PREAMBLE : if(end_cnt)
crc_data <= 8'hd5;//发送1字节SFD编码；
else
crc_data <= 8'h55;//发送7字节前导码；
ETH_HEAD : if(cnt < 6)
crc_data <= des_mac_r[47 - 8*cnt -: 8];//发送目的MAC地址，先发高字节；
else if(cnt < 12)
crc_data <= BOARD_MAC[47 - 8*(cnt-6) -: 8];//发送源MAC地址，先发高字节；
else
crc_data <= ETH_TYPE[15 - 8*(cnt-12) -: 8];//发送源以太网协议类型，先发高字节；
IP_HEAD : if(cnt < 4)//发送IP帧头。
crc_data <= ip_head[0][31 - 8*cnt -: 8];
else if(cnt < 8)
crc_data <= ip_head[1][31 - 8*(cnt-4) -: 8];
else if(cnt < 12)
crc_data <= ip_head[2][31 - 8*(cnt-8) -: 8];
else if(cnt < 16)
crc_data <= ip_head[3][31 - 8*(cnt-12) -: 8];
else
crc_data <= ip_head[4][31 - 8*(cnt-16) -: 8];
UDP_HEAD : if(cnt < 4)//发送UDP帧头数据。
crc_data <= udp_head[0][31 - 8*cnt -: 8];
else
crc_data <= udp_head[1][31 - 8*(cnt-4) -: 8];
UDP_DATA : if(tx_byte_num_r >= MIN_DATA_NUM)//需要判断发送的数据是否满足以太网最小数据要求。
crc_data <= tx_data;//如果满足最小要求，将需要配发送的数据输出。
else if(cnt < tx_byte_num_r)//不满足最小要求时，先将需要发送的数据发送完。
crc_data <= tx_data;//将需要发送的数据输出即可。
else//剩余数据补充0.
crc_data <= 8'd0;
default : ;
endcase
end
end
//生成数据请求输入信号，外部输入数据延后该信号一个时钟周期，所以需要提前产生一个时钟周期产生请求信号；
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
tx_data_req <= 1'b0;
end
//在数据段的前三个时钟周期拉高；
else if(state_c == UDP_HEAD && add_cnt && (cnt == cnt_num - 2))begin
tx_data_req <= 1'b1;
end//在ICMP或者UDP数据段时，当发送完数据的前三个时钟拉低；
else if(state_c == UDP_DATA && add_cnt && (cnt == cnt_num - 2))begin
tx_data_req <= 1'b0;
end
end
//生成一个crc_data指示信号，用于生成gmii_txd信号。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
gmii_tx_en_r <= 1'b0;
end
else if(state_c == CRC)begin
gmii_tx_en_r <= 1'b0;
end
else if(state_c == PREAMBLE)begin
gmii_tx_en_r <= 1'b1;
end
end
//生产CRC校验模块使能信号，初始值为0，当开始输出以太网帧头时拉高，当ARP和以太网帧头数据全部输出后拉低。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
crc_en <= 1'b0;
end
else if(state_c == CRC)begin//当ARP和以太网帧头数据全部输出后拉低.
crc_en <= 1'b0;
end//当开始输出以太网帧头时拉高。
else if(state_c == ETH_HEAD && add_cnt)begin
crc_en <= 1'b1;
end
end
//生产CRC校验模块清零信号，状态机处于空闲时清零。
always@(posedge clk)begin
crc_clr <= (state_c == IDLE);
end
//生成gmii_txd信号，默认输出0。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
gmii_txd <= 8'd0;
end//在输出CRC状态时，输出CRC校验码，先发送低位数据。
else if(state_c == CRC && add_cnt && cnt>0)begin
gmii_txd <= crc_out[8*cnt-1 -: 8];
end//其余时间如果crc_data有效，则输出对应数据。
else if(gmii_tx_en_r)begin
gmii_txd <= crc_data;
end
end
//生成gmii_txd有效指示信号。
always@(posedge clk)begin
gmii_tx_en <= gmii_tx_en_r || (state_c == CRC);
end
//模块忙闲指示信号，当接收到上游模块的使能信号或者状态机不处于空闲状态时拉低，其余时间拉高。
//该信号必须使用组合逻辑产生，上游模块必须使用时序逻辑检测该信号。
always@(*)begin
if(udp_tx_start || state_c != IDLE)
rdy = 1'b0;
else
rdy = 1'b1;
end
以太网发送数据模块仿真结果如下所示，发送了三帧数据。
该模块需要注意什么？其实需要考虑的是CRC校验模块输出的数据会滞后输入一个时钟周期，为了实现数据对齐，需要把crc_data延迟一个时钟周期得到gmii_txd，仿真结果如下所示。
前文在实现ICMP发送模块的时候，FIFO使用了超前模式，读使能与读数据对齐，但是UDP发送的数据未必来自FIFO，更多情况可能是数据会滞后请求信号一个时钟。所以本文把FIFO换成常规模式，输出的数据会滞后读使能一个时钟周期。
那么就需要提前一个时钟周期产生请求信号，对应的仿真结果如下所示，在状态机发送UDP首部最后一个字节数据时，将请求信号req拉高。
该模块的仿真到此结束，具体的CRC仿真还有IP首部、UDP首部这些细节就不再赘述了，与前文的ARP和ICMP道里差不多，需要详细了解的可以在公众号获取工程文件自行查看。
6、ARP、ICMP、UDP控制模块
本文实现UDP的回环，为了不去手动绑定开发板的IP地址和MAC地址，所以需要ARP模块，还要能够判断以太网链路是否畅通，就需要使用ICMP协议。开发板只使用一个网口，但是ARP、ICMP、UDP均会输出gmii_txd信号，所以就需要一个控制模块对三个模块的输出进行仲裁。
该模块接收到ARP请求时，就会使能ARP发送模块，向PC端发出ARP应答指令。当开发板上某个按键被按下后，也会向PC端发出ARP请求指令。当接收到PC端发出的回显请求指令时，该模块使能ICMP发送模块向PC端发送回显应答指令。最后当接收到UDP数据报文后，将接收的数据通过UDP发送模块传送给PC，实现数据回环。
该模块的核心代码如下所示，由于篇幅原因，需要代码可以从公众号的工程获取。
//ARP发送数据报的类型。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
arp_tx_type <= 1'b0;
end
else if(arp_rx_done && ~arp_rx_type)begin//接收到PC的ARP请求时，应该回发应答信号。
arp_tx_type <= 1'b1;
end
else if(key_in || (arp_rx_done && arp_rx_type))begin//其余时间发送请求指令。
arp_tx_type <= 1'b0;
end
end
//接收到ARP请求数据报文时，将接收到的目的MAC和IP地址输出。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
arp_tx_start <= 1'b0;
des_mac <= 48'd0;
des_ip <= 32'd0;
end
else if(arp_rx_done && ~arp_rx_type)begin
arp_tx_start <= 1'b1;
des_mac <= src_mac;
des_ip <= src_ip;
end
else if(key_in)begin
arp_tx_start <= 1'b1;
end
else begin
arp_tx_start <= 1'b0;
end
end
//接收到ICMP请求数据报文时，发送应答数据报。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
icmp_tx_start <= 1'b0;
icmp_tx_byte_num <= 16'd0;
end
else if(icmp_rx_done)begin
icmp_tx_start <= 1'b1;
icmp_tx_byte_num <= icmp_rx_byte_num;
end
else begin
icmp_tx_start <= 1'b0;
end
end
//接收到UDP数据报文后，将数据发送回源端。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
udp_tx_start <= 1'b0;
udp_tx_byte_num <= 16'd0;
end
else if(udp_rx_done)begin
udp_tx_start <= 1'b1;
udp_tx_byte_num <= udp_rx_byte_num;
end
else begin
udp_tx_start <= 1'b0;
end
end
//对三个模块需要发送的数据进行整合。
always@(posedge clk)begin
if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;
gmii_tx_en <= 1'b0;
gmii_txd <= 8'd0;
end//如果ARP发送模块输出有效数据，且ICMP发送模块和UDP发送模块都处于空闲状态，则将ARP相关数据输出。
else if(arp_gmii_tx_en && icmp_tx_rdy && udp_tx_rdy)begin
gmii_tx_en <= arp_gmii_tx_en;
gmii_txd <= arp_gmii_txd;
end//如果ICMP发送模块输出有效数据且ARP发送模块和UDP发送模块均处于空闲，则将ICMP相关数据输出。
else if(icmp_gmii_tx_en && arp_tx_rdy && udp_tx_rdy)begin
gmii_tx_en <= icmp_gmii_tx_en;
gmii_txd <= icmp_gmii_txd;
end//如果udP发送模块输出有效数据且ARP发送模块和idmp发送模块均处于空闲，则将ICMP相关数据输出。
else if(udp_gmii_tx_en && arp_tx_rdy && icmp_tx_rdy)begin
gmii_tx_en <= udp_gmii_tx_en;
gmii_txd <= udp_gmii_txd;
end
else begin
gmii_tx_en <= 1'b0;
end
end
该模块的思路比较简单，就不再仿真，后续直接上板即可。
7、顶层模块
顶层模块主要将ARP、ICMP、UDP、RGMII与GMII转换模块、按键消抖模块、暂存UDP数据的FIFO模块、锁相环模块的输入输出端口进行连线。
顶层对应的框图如下所示，由于比较复杂，直接采用vivado的RTL视图。
该模块暂存UDP数据和ICMP数据的FIFO设置如下所示，使用一般模式即可，对应的需要提前产生数据请求输入信号。
该模块对应核心代码如下所示：
//例化锁相环，输出200MHZ时钟，作为IDELAYECTRL的参考时钟。
clk_wiz_0 u_clk_wiz_0 (
.clk_out1 ( idelay_clk),//output clk_out1;
.resetn ( rst_n ),//input resetn;
.clk_in1 ( clk ) //input clk_in1;
);
//例化按键消抖模块。
key #(
.TIME_20MS ( TIME_20MS ),//按键抖动持续的最长时间，默认最长持续时间为20ms。
.TIME_CLK ( TIME_CLK ) //系统时钟周期，默认8ns。
)
u_key (
.clk ( gmii_rx_clk ),//系统时钟，125MHz。
.rst_n ( rst_n ),//系统复位，低电平有效。
.key_in ( key_in ),//待输入的按键输入信号,默认低电平有效；
.key_out ( key_out ) //按键消抖后输出信号，当按键按下一次时，输出一个时钟宽度的高电平；
);
//例化ARP和ICMP的控制模块
arp_icmp_udp_ctrl u_arp_icmp_udp_ctrl (
.clk ( gmii_rx_clk ),//输入时钟；
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效；
.key_in ( key_out ),//按键按下，高电平有效；
.des_mac ( des_mac ),//发送的目标MAC地址。
.des_ip ( des_ip ),//发送的目标IP地址。
//ARP
.arp_rx_done ( arp_rx_done ),//ARP接收完成信号；
.arp_rx_type ( arp_rx_type ),//ARP接收类型 0:请求 1:应答；
.src_mac ( src_mac ),//ARP接收到目的MAC地址。
.src_ip ( src_ip ),//ARP接收到目的IP地址。
.arp_tx_rdy ( arp_tx_rdy ),//ARP发送模块忙闲指示信号。
.arp_tx_start ( arp_tx_start ),//ARP发送使能信号；
.arp_tx_type ( arp_tx_type ),//ARP发送类型 0:请求 1:应答；
.arp_gmii_tx_en ( arp_gmii_tx_en ),
.arp_gmii_txd ( arp_gmii_txd ),
//ICMP
.icmp_rx_done ( icmp_rx_done ),//ICMP接收完成信号；
.icmp_rx_byte_num ( icmp_rx_byte_num ),//以太网接收的有效字节数 单位:byte。
.icmp_tx_rdy ( icmp_tx_rdy ),//ICMP发送模块忙闲指示信号。
.icmp_gmii_tx_en ( icmp_gmii_tx_en ),
.icmp_gmii_txd ( icmp_gmii_txd ),
.icmp_tx_start ( icmp_tx_start ),//ICMP发送使能信号；
.icmp_tx_byte_num ( icmp_tx_byte_num ),//以太网发送的有效字节数 单位:byte。
//udp
.udp_rx_done ( udp_rx_done ),//UDP接收完成信号；
.udp_rx_byte_num ( udp_rx_byte_num ),//以太网接收的有效字节数 单位:byte。
.udp_tx_rdy ( udp_tx_rdy ),//UDP发送模块忙闲指示信号。
.udp_gmii_tx_en ( udp_gmii_tx_en ),
.udp_gmii_txd ( udp_gmii_txd ),
.udp_tx_start ( udp_tx_start ),//UDP发送使能信号；
.udp_tx_byte_num ( udp_tx_byte_num ),//以太网发送的有效字节数 单位:byte。
.gmii_tx_en ( gmii_tx_en ),
.gmii_txd ( gmii_txd )
);
//例化ARP模块；
arp #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),//开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55;
.BOARD_IP ( BOARD_IP ),//开发板IP地址 192.168.1.10;
.DES_MAC ( DES_MAC ),//目的MAC地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff;
.DES_IP ( DES_IP ),//目的IP地址 192.168.1.102;
.ETH_TYPE ( 16'h0806 ) //以太网帧类型，16'h0806表示ARP协议，16'h0800表示IP协议；
)
u_arp (
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效。
.gmii_rx_clk ( gmii_rx_clk ),//GMII接收数据时钟。
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),//GMII输入数据有效信号。
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),//GMII输入数据。
.gmii_tx_clk ( gmii_tx_clk ),//GMII发送数据时钟。
.arp_tx_en ( arp_tx_start ),//ARP发送使能信号。
.arp_tx_type ( arp_tx_type ),//ARP发送类型 0:请求 1:应答。
.des_mac ( des_mac ),//发送的目标MAC地址。
.des_ip ( des_ip ),//发送的目标IP地址。
.gmii_tx_en ( arp_gmii_tx_en ),//GMII输出数据有效信号。
.gmii_txd ( arp_gmii_txd ),//GMII输出数据。
.arp_rx_done ( arp_rx_done ),//ARP接收完成信号。
.arp_rx_type ( arp_rx_type ),//ARP接收类型 0:请求 1:应答。
.src_mac ( src_mac ),//接收到目的MAC地址。
.src_ip ( src_ip ),//接收到目的IP地址。
.arp_tx_rdy ( arp_tx_rdy ) //ARP发送模块忙闲指示指示信号，高电平表示该模块空闲。
);
//例化ICMP模块。
icmp #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),//开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55;
.BOARD_IP ( BOARD_IP ),//开发板IP地址 192.168.1.10;
.DES_MAC ( DES_MAC ),//目的MAC地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff;
.DES_IP ( DES_IP ),//目的IP地址 192.168.1.102;
.ETH_TYPE ( 16'h0800 ) //以太网帧类型，16'h0806表示ARP协议，16'h0800表示IP协议；
)
u_icmp (
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效。
.gmii_rx_clk ( gmii_rx_clk ),//GMII接收数据时钟。
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),//GMII输入数据有效信号。
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),//GMII输入数据。
.gmii_tx_clk ( gmii_tx_clk ),//GMII发送数据时钟。
.gmii_tx_en ( icmp_gmii_tx_en ),//GMII输出数据有效信号。
.gmii_txd ( icmp_gmii_txd ),//GMII输出数据。
.icmp_tx_start ( icmp_tx_start ),//以太网开始发送信号.
.icmp_tx_byte_num ( icmp_tx_byte_num ),//以太网发送的有效字节数 单位:byte。
.des_mac ( des_mac ),//发送的目标MAC地址。
.des_ip ( des_ip ),//发送的目标IP地址。
.icmp_rx_done ( icmp_rx_done ),//ICMP接收完成信号。
.icmp_rx_byte_num ( icmp_rx_byte_num ),//以太网接收的有效字节数 单位:byte。
.icmp_tx_rdy ( icmp_tx_rdy ) //ICMP发送模块忙闲指示指示信号，高电平表示该模块空闲。
);
//例化UDP模块。
udp #(
.BOARD_MAC ( BOARD_MAC ),//开发板MAC地址 00-11-22-33-44-55;
.BOARD_IP ( BOARD_IP ),//开发板IP地址 192.168.1.10;
.DES_MAC ( DES_MAC ),//目的MAC地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff;
.DES_IP ( DES_IP ),//目的IP地址 192.168.1.102;
.BOARD_PORT ( BOARD_PORT),//板子的UDP端口号；
.DES_PORT ( DES_PORT ),//源端口号；
.ETH_TYPE ( 16'h0800 ) //以太网帧类型，16'h0806表示ARP协议，16'h0800表示IP协议；
)
u_udp (
.rst_n ( rst_n ),//复位信号，低电平有效。
.gmii_rx_clk ( gmii_rx_clk ),//GMII接收数据时钟。
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),//GMII输入数据有效信号。
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),//GMII输入数据。
.gmii_tx_clk ( gmii_tx_clk ),//GMII发送数据时钟。
.gmii_tx_en ( udp_gmii_tx_en ),//GMII输出数据有效信号。
.gmii_txd ( udp_gmii_txd ),//GMII输出数据。
.udp_tx_start ( udp_tx_start ),//以太网开始发送信号.
.udp_tx_byte_num ( udp_tx_byte_num ),//以太网发送的有效字节数 单位:byte。
.des_mac ( des_mac ),//发送的目标MAC地址。
.des_ip ( des_ip ),//发送的目标IP地址。
.udp_rx_done ( udp_rx_done ),//UDP接收完成信号。
.udp_rx_byte_num ( udp_rx_byte_num ),//以太网接收的有效字节数 单位:byte。
.udp_tx_rdy ( udp_tx_rdy ),//UDP发送模块忙闲指示指示信号，高电平表示该模块空闲。
.rx_data ( udp_rx_data ),
.rx_data_vld ( udp_rx_data_vld ),
.tx_data ( udp_tx_data ),
.tx_data_req ( udp_tx_data_req )
);
//例化FIFO；
fifo_generator_0 u_fifo_generator_0 (
.clk ( gmii_rx_clk ),//input wire clk
.srst ( ~rst_n ),//input wire srst
.din ( udp_rx_data ),//input wire [7 : 0] din
.wr_en ( udp_rx_data_vld ),//input wire wr_en
.rd_en ( udp_tx_data_req ),//input wire rd_en
.dout ( udp_tx_data ),//output wire [7 : 0] dout
.full ( ),//output wire full
.empty ( ) //output wire empty
);
//例化gmii转RGMII模块。
rgmii_to_gmii u_rgmii_to_gmii (
.idelay_clk ( idelay_clk ),//IDELAY时钟；
.rst_n ( rst_n ),
.gmii_tx_en ( gmii_tx_en ),//GMII发送数据使能信号；
.gmii_txd ( gmii_txd ),//GMII发送数据；
.gmii_rx_clk ( gmii_rx_clk ),//GMII接收时钟；
.gmii_rx_dv ( gmii_rx_dv ),//GMII接收数据有效信号；
.gmii_rxd ( gmii_rxd ),//GMII接收数据；
.gmii_tx_clk ( gmii_tx_clk ),//GMII发送时钟；
.rgmii_rxc ( rgmii_rxc ),//RGMII接收时钟；
.rgmii_rx_ctl ( rgmii_rx_ctl ),//RGMII接收数据控制信号；
.rgmii_rxd ( rgmii_rxd ),//RGMII接收数据；
.rgmii_txc ( rgmii_txc ),//RGMII发送时钟；
.rgmii_tx_ctl ( rgmii_tx_ctl ),//RGMII发送数据控制信号；
.rgmii_txd ( rgmii_txd ) //RGMII发送数据；
);
8、上板测试
将顶层模块中的ILA注释取消，然后将程序综合、实现，最后下载到开发板中进行测试。打开电脑的控制面板->网络和Internet->网络连接，鼠标右击以太网，双击Internet协议版本4，进行如下设置，与代码顶层模块设置的目的IP一致，具体步骤可以查看前文。
然后把wirrshark和网络调试助手打开，如下所示：
网络调试助手需要设置协议类型为UDP，PC端的IP地址和UDP地址，需要与顶层文件的数值保持一致。然后打开连接，就会显示出FPGA的IP地址和UDP端口地址，如果该地址与开发板的地址不一样，可以手动进行修改。
之后将ILA设置为gmii_rx_dv的上升沿触发，连续抓取32个数据报文，然后wireshark也运行，最后点击网络调试助手的发送指令，即可抓取相关数据。网络调试助手发送三帧数据，如下图所示，FPGA向PC端返回接收到的三帧数据（蓝色数据是PC端通过UDP向FPGA发送的数据，绿色数据是FPGA通过UDP向PC端发送的数据）。
对比网络调试助手收发数据一致，由此证明FPGA接收和发送数据无误。
然后查看wireshark在这段时间抓取的数据报文，如下图所示。
PC端在通过UDP向FPGA发送数据报文之前，先通过广播的形式发送了一个ARP请求指令，去获取开发板的MAC地址，FPGA接收到ARP请求后，也是向PC端返回了ARP应答数据报文。
然后PC端通过UDP向FPGA发送三个数据报文，如下图所示，FPGA也对该报文进行了应答。
前文对ARP的报文已经做了详细讲解，所以此处不对其报文进行分析了，我们双击UDP报文，查看其发送的数据段，如下图蓝色背景文字部分，与图17中第一帧数据保持一致。
如下图是wirshark抓取的FPGA通过UDP给PC端发送的第一帧报文，可以从红框处得知源MAC和源IP地址为开发板，目的MAC和目的IP都是PC端的地址。接收的UDP数据就是蓝色文字，与图19PC端发送的数据保持一致。
上述的数据报文通过ILA抓取如下所示，紫红色信号就是接收的报文数据信号。
将接收的UDP数据段放大后如下图所示，与图19和图17PC端发送的第一帧数据保持一致，因此FPGA这边接收数据没有问题。
当FPGA接收到UDP数据包后，立马回复一帧UDP数据，如下所示，紫红色信号是接收的数据报文，橙色信号是发送的数据报文。
将发送报文的数据段放大，结果如下所示，与图17和图20wireshark抓取的数据一致，由此证明该设计接收和发送数据均没有问题。
最后就是验证ICMP的问题了，直接打开命令提示符，然后输入ping 192.168.1.10指令，运行结果如下所示：
上图表示FPGA接收到PC端的回显请求时，能够向PC端发送回显应答数据报文，以此验证以太网链路是否通畅。
关于UDP的发送和接收本文就做这么多讲解，当然这并不是我们最终想要使用的模块，因为ARP、UDP、ICMP这三个模块其实很多地方都是类似的，使用三个独立的模块完全没有必要，会额外消耗很多资源。
后文会把这三个模块进行整合设计，将模块合成一个eth模块，该模块可以实现对ARP、ICMP、UDP报文的接收，并根据需要发送相应报文。
获取本文工程的方式是在公众号后台回复“基于FPGA的UDP回环设计”（不包括引号）。
