工业以太网协议栈FPGA IP核的实现

1、冉冉红日的博客工业以太网协议栈FPGA IP核的实现随着物联网的广泛应用，在嵌入式系统中，越来越多的设备、传感器使用工业以太网作为通信媒介，因为工业以太网有着速度与安全可靠双重优势。在较高端设备中，由于存在如DSP、ARM之类的处理器，指令代码运行处理速度很快，再有OS进行管理，此时将以太网网卡芯片驱动程序和协议栈加入进来，比较简单方便，易于设备管理和功能更改，这种方案已经应用的非常成熟了。在某些低端设备中，只有单片机作为处理器，如果还是像上述那样实现以太网的话，单片机的负荷势必会大大增加，对于与单片机相连的设备的实时性控制就会大大降低。因此，在要加入以太网通信的设备中选用单片机作为

2、处理器不是一种好方案。除了单片机、DSP、ARM外，还有一种处理器也被广泛应用，那就是FPGA。现在FPGA的功能越来越多，片内资源也越来越多。像新出的ALTERA FPGA内部就已有ARM硬核，在ALTERA的所有系列中都能实现软核CPU，此CPU的运行速度相比一般的单片机来说还要更快些。但如果用它来管理TCP/IP协议栈，我觉得也就会像单片机一样，负载过重，就像让一个10岁的小孩挑50斤的担子一样。此外，我个人觉得，软核CPU毕竟没有单片机稳定，在FPGA系统中，让软核CPU只做管理就好了，而像以太网协议栈的这样独立性强，又比较复杂的工作就由一个IP核来实现。虽然这样的IP核实现起来不容易

3、，但对于实时性要求高、数据传输速度要求高、稳定性要求高的设备，采用这种方案是非常好的。因此，我想根据嵌入式设备的特点，简化TCP/IP协议栈的内容，实现嵌入式设备需要的功能，而不需要的就剔除掉。比如，不需要那么复杂的ARP管理，只需将缓存上一次有效的IP-MAC地址；如果只用UDP协议，那么就只需实现简易ARP、IP和UDP就可以了。这样不仅能节约硬件资源，同时简化了程序，简化了逻辑，提高了系统的稳定性，越简单的事物，稳定性越好。1         NET_STACK IP核概述1.1 

4、0;   IP核功能简介1)         此IP核支持TCP/IP协议栈中的ARP（简化）、IP、UDP、TCP（简化）、ICMP-Ping协议，覆盖协议栈中的网络接口层、网际层和传输层，能应用于10/100/1000Mbps网络系统中。2)         此IP核中只处理ARP应答，不发送ARP请求；只有一个MAC-IP对缓冲区，即只保存上次接收到的来自主机的ARP请求中的MAC

5、-IP对。3)         IP协议支持IP首部长度为20，协议类型为IPV4，不支持分片、选项等功能，发送IP包中的TTL值固定为64。4)         TCP协议支持TCP首部长度为20，不支持SACK、窗等选项功能，单次传输最大净负荷数据为1460字节。5)         此IP核支持完整的UDP协议，单次传输最

6、大净负荷数据为1472字节。6)         在IP核配置时UDP和TCP不能同时被包含，ICMP可以和他们组合包含，只需在配置文件中通过宏定义来加载、卸除组件，操作非常简单。7)         IP核中用于缓冲接收和发送的数据的缓存区大小可以独立配置。8)         应用于IP核的网络参数可以动态在线调整。9)&#

7、160;        此IP核能应用于交换机组成的局域网络中。1.2     IP核接口此IP核在UDP模式和在TCP模式下的顶层接口分别如下图1.1和图1.2所示，前缀为nat_的信号为需要设置的网络参数；前缀为L3的信号为与应用层逻辑接口的信号，它遵循Avalon Stream接口协议，其中ready信号对应的readyLatency等于0，data信号的数据模式是大端模式，此接口在SignalTapII中捕获传输奇数字节的时序图如下图1.3所示；前缀为L1的

8、信号为与网络芯片控制器逻辑接口的信号，它也遵循Avalon Stream接口协议。图1.1 NET_STACK IP核UDP模式顶层接口图1.2 NET_STACK IP核TCP模式顶层接口图1.3 接口时序图1.3     IP核使用NET_STACK IP核使用非常简单，在应用时可以采用三种方式将此IP核集成到您的系统中：1)         采用Verilog源码方式，将此IP核看做一个模块集成到您的系统中；2)  &#

9、160;      采用原理图方式，将此IP的顶层模块转化为原理图符号，进而集成到您的系统中；3)         采用组件方式，在SOPC Builder或Qsys中将此IP核转化为一个组件，进而集成到您的系统中。无论采用哪种方式，在系统工程编译之前，需要做如下工作：1)         设置IP核的工作模式，UDP或TCP模式，加载/卸除Ping功能组件

10、；2)         设置IP核内接收缓冲区和发送缓冲区RAM的大小；3)         设置网络参数：本地物理地址nat_mac_addr、本地IP地址nat_ip_addr和本地端口号nat_port。2         NET_STACK IP核性能评估2.1     

11、资源占用此IP核占用的资源类型只有逻辑资源和片内RAM两种，下图2.1和图2.2分别为IP核在UDP模式和TCP模式下在测试工程中占有的资源情况，目标器件为ALTERA公司的CycloneII系列EP2C35F484C7，开发环境为QuartusII 11.0。 图2.1 NET_STACK IP核UDP模式占用资源情况 图2.2 NET_STACK IP核TCP模式占用资源情况 2.2     Ping功能Ping功能属于ICMP协议，它是一个非常好用且有用的TCP/IP工具，是网络维护中最重要的一个命令，它主要

12、的功能是检测网络的连通状况和分析网络速度。此IP核能非常方便地加载和卸除Ping功能组件，只要在net_define.v文档中通过宏ICMP_INCLUDED的定义或取消来控制即可。在ALTERA公司器件EP2C35F484中编译，综合分析优化参数设置为“Balance”，如下图2.3所示，只占用229个逻辑单元，具体消耗的资源如下图2.4所示。图2.3 QuartusII中分析综合优化参数 图2.4 PING组件占用资源在单板中运行包含Ping功能的IP核，且单板的IP设置为，在上位机中运行Ping命令，界面如下图2.3所示：图2.3 DOS界面下Ping测试2.3 &#

13、160;   数据处理速度测试测试环境：采用闭环LOOPBACK测试系统，即将与应用层逻辑接口的接收信号和发送信号对应短接，器件为CycloneII系列EP2C35F484C7，编译器为QuartusII 11.0，网卡控制器为DM9000CEP，测量的时间段为NET_STACK接收到DM9000A_CTRLER（此为网络芯片控制器IP核）发送区的最后一个数据至NET_STACK向DM9000A_CTRLER发送第一个数据这段时间，下表中所有时长反映的是协议栈分析数据包的响应速度，与所用网络是10M或100M无关。处理类型用户数据个数（字节）所用时长（clk）AR

14、P应答-30UDP发送1020UDP发送4020UDP发送10020UDP发送40020UDP发送80020UDP发送102420UDP接收1015UDP接收4015UDP接收10015UDP接收40015UDP接收80015UDP接收102415TCP发送4025TCP发送40025TCP发送102425TCP接收4013TCP接收40013TCP接收102413从上述表中可以看出，采用UDP/TCP协议接收不同的用户数据，IP核内处理接收数据的时间是相同的，发送也一样，IP核内处理发送的数据的时间也不随用户数据个数的多少而改变。由上述可知，TCP/IP协议栈IP核与外部器件不存在直接联系，

15、因此，它的系统时钟速率不受外部器件IO访问速率的影响，只与FPGA器件的速度等级以及IP核内部结构有关，根据公式1可以计算出本文中的TCP/IP协议栈IP核的数据处理速率。                S =（M×）/（N×Tclk）               &#

16、160;   (式1)    结合上述表中数据，M 取值为1024，Tclk取值为10ns（系统时钟为100MHz），N 取最大值为20，计算得到S 约为40960Mbps，远大于目前千兆网的数据传输速率。因此，此TCP/IP协议栈IP核不仅可以适用于目前100/1000M网络系统，而且还可以适用于未来的10G网络系统。2.4     100M网络净负荷测速测试环境：器件为CycloneII系列EP2C35F484C7，系统时钟为100MHz，网卡控制器为DM9000CEP，

17、上位机通过发送命令控制含此IP核的单板，让单板连续发送多个数据包，同时记录发送数据包的时间，以此来测量网络的上行净负荷速率，测试结果如下表所示。 协议类型最大净负荷最小速率最大速率UDP1472字节32.1Mbps76.9MbpsTCP1460字节21.6Mbps35.7Mbps2.5     网络拓扑结构此IP核能应用于交换机组成的局域网络，测试实物图如下图2.4所示。 图2.4 局域网络通信测试2.6     最高时钟频率在ALTERA公司的CycloneII系

18、列EP2C35F484C7器件，QuartusII 11.0开发环境中的TimeQuest Timing Analyzer组件下测试得到的IP核系统时钟clk最高为122.05MHz。注：如果需要更高的时钟频率，可以在牺牲资源面积的前提下将系统时钟clk进一步提高。3         参数更改此IP核在应用过程中有如下参数需要修改：1)         工作模式，默认值：UDP模式；2)  

19、60;      接收和发送缓冲区RAM的大小，默认值：接收和发送RAM大小都为512×2字节；3)         网络参数，默认值：MAC=01-02-03-04-05-06，PORT=1024。3.1     更改工作模式IP核中包含三个组件：ICMP-Ping组件、UDP组件、TCP组件，在实际应用中需要使用哪些功能，则在net_define.v文件中包含这个组件的宏，其中UDP

20、组件和TCP组件不能同时使用。例如：要使用Ping功能和UDP通信，则在net_define.v文件将代码修改为：/= Protocol Included =/define ICMP_INCLUDED   1  define UDP_INCLUDED    1       / UDP和TCP只能选择一个/define   TCP_INCLUDED    13.2

21、60;    更改RAM大小此IP核中的发送通道和接收通道具有独立的数据缓冲区RAM，可以分别进行更改其大小，更改的步骤如下：步骤一：使用QuartusII中的MegaWizard Plug-in Manager进行RAM参数设置，设置细节请参看工业以太网协议栈NET_STACK IP核技术设计文档中的章节2.2的内容。步骤二：更改net_define.v中的RBW和/或TBW的值，此值须和步骤一中设置的参数值一致。3.3     更改网络参数此IP核中的网络参数有本地MAC地址、本地IP地址、本地端口号

22、，当需要更改其中任意一个或多个时，只需在net_stack_top实例化的时候，在接口中赋值即可。例如，想要将网络参数设置为：MAC地址为01-60-6E-11-02-0F，IP地址为，本地端口号为6800，则接口参数设置为：.nat_ip_addr                   (32'hC0A8001F       &#

23、160;               ),      .nat_port                      (16'h1A90  &#

24、160;                        ),      .nat_mac_addr                  (48'h01606E11020F                   ),   在上一篇博文中，介绍了如何在F