基于fpga的以太网通信接口的实现(附件)【字数：8149】
摘 要本课题设计的是一种基于FPGA的以太网通讯接口完成的计划。以太网技术是上个世纪七十年代的产物，随着计算机网络的不断发展，由于它的简易型、价格便宜和高效性，成为了众多网络技术中影响力最为深远的一种局域网技术，随着网络的日渐普及，以太网被广泛应用。而以太网是现今局域网用的通讯协定的尺度，以硬件描述语言实现电路设计，为了快速，有效地实现FPGA与上位机之间的通信，因此设计该方案实现以太网通信接口。随着以太网通信技术的飞速发展，及其FPGA的不断兴起，人们对于信息通信的要求与日俱增。经过了对硬件描述语言，TCP/IP协议以及对FPGA芯片的理解和学习，结合相关知识设计实现此方案，而最核心的就是对以太网通信接口的设计。以太网接口是网络通信的标准，常见的速率有10M、100M、1000M，是计算机、服务器、高速设备等常用的接口。由于其无可替代的通用性，几乎所有接入网络的硬件设备都有以太网接口。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 FPGA的国内外发展状况 1
第二章系统方案设计 2
2.1系统总体结构设计 2
2.2以太网接口TCP/IP协议 2
2.3系统层MAC接口设计 3
第三章硬件设计 4
3.1 FPGA的芯片介绍 4
3.2 FPGA设计流程 5
3.3以太网通信接口 5
第四章软件设计 8
4.1软件设计流程 8
4.2各模块程序的功能 8
4.2.1可编程输入输出模块 8
4.2.2可配置逻辑模块 8
4.2.3 DCM与BRAM模块 9
4.2.4内嵌功能模块 9
4.2.5实验验证 10
第五章试验和总结 13
5.1准备工作 13
5.2以太网的传输测试 16
5.3总结 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
附录源程序代码 24
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
以太网是现今应用的最普遍的局域网通讯方式，于此同时它也是一种协议，组建于七十年代早期。以太网的协议不仅把有差异的各个计算机设备连接在了一起，还进一步地定义了部分的软件及其硬件的规范。以太网设备组网包含集线器，交换机，光纤，路由器和普通网线及以太网协议和通讯规则。而以太网接口就是衔接以太网的网络数据的端口。
近些年，随着互联网的的快速发展，其硬件和软件发展水平越来越高，以太网接口使用频率越来越高。传统以太网常常采用的是主控芯片内部编写以太网协议或者在一些高性能处理器上运行系统，通过操作系统来完成一些复杂得通信协议，从而达到以太网通信的目的。
以太网接口有着无可替代的通用性，几乎所有接入网络的硬件设备都是以太网接口。而为了实现同时和多台设备通信并且在FPGA的基础上完成，将是我们的任务。以太网技术的发展越来越成熟，这对于以后的研究和探讨来说有着无可厚非的意义。
1.2 FPGA的国内外发展状况
可编程逻辑器件早期的时候只有PROM、EPROM和EEPROM。FPGA是一种半定制的电路型新型专用集成电路，其出现不仅解决了电路方面的缺点，还克服了传统可编程器件门电路门数有限的问题。
当今社会上主流的可编程逻辑器件主要分为3大类，分别为PAL/GAL，CPLD以及FPGA。
国外FPGA格局变化：在2015年12月份Intel收购了Altera；同年，Lattice收购Silicon Image并且Microsemi收购PMCSierra，将远程无线电的前端业务出售给了Maxlinear，同时将电路板级产品出售给了Mercury System；而2016年4月
紫光收购了**Lattice**6.07%股权；然而Xilinx的地位在FPGA的领域内还是无法触动的，仍旧是保持着垄断的局面。
第二章 系统方案设计
2.1系统总体结构设计
本次设计将实现的是FPGA 芯片和PC机之间用以太网通信接口的实现。为了使PHY芯片能够将数据经过网线发送给PC，就要让FPGA 经过GMII总线来连接开发板上PHY 芯片并进行数据通信。具体的传输示意图，如图21所示，以太网网络数据测试窗口图如图22所示。
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图21 以太网通信示意图
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图22 以太网网络数据测试窗口图
2.2以太网接口TCP/IP协议
以太网的协议不仅把有差异的各个计算机设备连接在了一起，还进一步地定义了部分的软件及其硬件的规范。TCP/IP协议栈能够划分成不一样的功能单元，还可以说是称得上“层”的概念，而且它还是组成整个通信网络的任务。并且对照着TCP/IP协议来进行分类并用于互联网。
推荐协议是指每一个应用层一般情况下都会使用到两个传输层协议之一: 面向连接的TCP传输控制协议以及无连接的传输UDP用户数据报文协议。推荐协议还有很多，比如在UDP上运行的网络时间协议和启动协议，还有在TCP上运行的文件传输和网络电传等。
必须协议（required）是指一切的TCP/IP运用都一定要实现IP以及ICMP。路由器只要是有了这两个协议就能够运行了，虽然从应用的角度来说，作用并不大。在运行过程中，同时还需要其他的协议。
常用的可选协议有超文本传输协议等。
2.3系统层MAC接口设计
以太网控制器的FPGA设计包含以太网MAC子层的FPGA设计、MAC子层和上层协议的接口设计等。
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图23 MAC层接口框图
第三章 硬件设计
3.1FPGA的芯片介绍
FPGA它采用的是逻辑单元阵列及可编程器件。如图31所示为内部结构图。
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图31 FPGA内部结构
FPGA的内部是可以达到我们想要的逻辑。而在加电状况下，还可以通过编程将数据放入FPGA中。就引脚分配的问题就不是很容易来解决。Group：这个引脚表示的就是输入信号的名称，倘若对输入信号的某一条赋值的话，这个引脚就会自动的填写上你所输入的group；Vref Group：这个引脚也算是group的一个小部分了，在group这个里的引脚其实有很多，并不是很容易精确下来，因此为了能够高效率地找到并且定位到具体哪一个，就要用到这个Vref Group；Reserved：它就比较明确了，翻译的意思就是约束，它也就是起到这么一个作用的，约束引脚内部的IO逻辑；IO standard：它是一个标准，并且可以用来支持不同的电平标准；IO bank：这个引脚上所引入的VCC提供了IO口的电压。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 FPGA的国内外发展状况 1
第二章系统方案设计 2
2.1系统总体结构设计 2
2.2以太网接口TCP/IP协议 2
2.3系统层MAC接口设计 3
第三章硬件设计 4
3.1 FPGA的芯片介绍 4
3.2 FPGA设计流程 5
3.3以太网通信接口 5
第四章软件设计 8
4.1软件设计流程 8
4.2各模块程序的功能 8
4.2.1可编程输入输出模块 8
4.2.2可配置逻辑模块 8
4.2.3 DCM与BRAM模块 9
4.2.4内嵌功能模块 9
4.2.5实验验证 10
第五章试验和总结 13
5.1准备工作 13
5.2以太网的传输测试 16
5.3总结 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
附录源程序代码 24
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
以太网是现今应用的最普遍的局域网通讯方式，于此同时它也是一种协议，组建于七十年代早期。以太网的协议不仅把有差异的各个计算机设备连接在了一起，还进一步地定义了部分的软件及其硬件的规范。以太网设备组网包含集线器，交换机，光纤，路由器和普通网线及以太网协议和通讯规则。而以太网接口就是衔接以太网的网络数据的端口。
近些年，随着互联网的的快速发展，其硬件和软件发展水平越来越高，以太网接口使用频率越来越高。传统以太网常常采用的是主控芯片内部编写以太网协议或者在一些高性能处理器上运行系统，通过操作系统来完成一些复杂得通信协议，从而达到以太网通信的目的。
以太网接口有着无可替代的通用性，几乎所有接入网络的硬件设备都是以太网接口。而为了实现同时和多台设备通信并且在FPGA的基础上完成，将是我们的任务。以太网技术的发展越来越成熟，这对于以后的研究和探讨来说有着无可厚非的意义。
1.2 FPGA的国内外发展状况
可编程逻辑器件早期的时候只有PROM、EPROM和EEPROM。FPGA是一种半定制的电路型新型专用集成电路，其出现不仅解决了电路方面的缺点，还克服了传统可编程器件门电路门数有限的问题。
当今社会上主流的可编程逻辑器件主要分为3大类，分别为PAL/GAL，CPLD以及FPGA。
国外FPGA格局变化：在2015年12月份Intel收购了Altera；同年，Lattice收购Silicon Image并且Microsemi收购PMCSierra，将远程无线电的前端业务出售给了Maxlinear，同时将电路板级产品出售给了Mercury System；而2016年4月
紫光收购了**Lattice**6.07%股权；然而Xilinx的地位在FPGA的领域内还是无法触动的，仍旧是保持着垄断的局面。
第二章 系统方案设计
2.1系统总体结构设计
本次设计将实现的是FPGA 芯片和PC机之间用以太网通信接口的实现。为了使PHY芯片能够将数据经过网线发送给PC，就要让FPGA 经过GMII总线来连接开发板上PHY 芯片并进行数据通信。具体的传输示意图，如图21所示，以太网网络数据测试窗口图如图22所示。
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图21 以太网通信示意图
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图22 以太网网络数据测试窗口图
2.2以太网接口TCP/IP协议
以太网的协议不仅把有差异的各个计算机设备连接在了一起，还进一步地定义了部分的软件及其硬件的规范。TCP/IP协议栈能够划分成不一样的功能单元，还可以说是称得上“层”的概念，而且它还是组成整个通信网络的任务。并且对照着TCP/IP协议来进行分类并用于互联网。
推荐协议是指每一个应用层一般情况下都会使用到两个传输层协议之一: 面向连接的TCP传输控制协议以及无连接的传输UDP用户数据报文协议。推荐协议还有很多，比如在UDP上运行的网络时间协议和启动协议，还有在TCP上运行的文件传输和网络电传等。
必须协议（required）是指一切的TCP/IP运用都一定要实现IP以及ICMP。路由器只要是有了这两个协议就能够运行了，虽然从应用的角度来说，作用并不大。在运行过程中，同时还需要其他的协议。
常用的可选协议有超文本传输协议等。
2.3系统层MAC接口设计
以太网控制器的FPGA设计包含以太网MAC子层的FPGA设计、MAC子层和上层协议的接口设计等。
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图23 MAC层接口框图
第三章 硬件设计
3.1FPGA的芯片介绍
FPGA它采用的是逻辑单元阵列及可编程器件。如图31所示为内部结构图。
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图31 FPGA内部结构
FPGA的内部是可以达到我们想要的逻辑。而在加电状况下，还可以通过编程将数据放入FPGA中。就引脚分配的问题就不是很容易来解决。Group：这个引脚表示的就是输入信号的名称，倘若对输入信号的某一条赋值的话，这个引脚就会自动的填写上你所输入的group；Vref Group：这个引脚也算是group的一个小部分了，在group这个里的引脚其实有很多，并不是很容易精确下来，因此为了能够高效率地找到并且定位到具体哪一个，就要用到这个Vref Group；Reserved：它就比较明确了，翻译的意思就是约束，它也就是起到这么一个作用的，约束引脚内部的IO逻辑；IO standard：它是一个标准，并且可以用来支持不同的电平标准；IO bank：这个引脚上所引入的VCC提供了IO口的电压。
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