FPGA通过以太网与PC机通信完整方案

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一、简介
        使用以太网接口实现PC和FPGA的通信，相对于串口而言，具有更高的传输速度。采用以太网接口的目的在于，在一定技术要求下，实现PC机和FPGA的实时数据传输。从而可以借助PC机强大的计算能力，降低FPGA的运算负担。
         
        成都浩然电子有限公司开发的网络模块HS-NM5300A，作为实现以太网通信的主要元件。模块以韩国Wiznet公司开发W5300A为关键芯片。模块一端为RJ45，通过网络交叉线与PC机相连；另一端为外部总线，与FPGA的IO相连。模块内嵌10BaseT/100BaseTX的以太网物理层，支持自动握手功能，支持固件TCP/IP协议，通信理想速率可达到50Mbps。
         
        W5300A接收PC机发来的数据包，进行协议解析，并将传输的数据保存在其内部寄存器中，或者将寄存器内的数据打包封装发送到以太网上。FPGA通过外部总线，访问W5300A的寄存器，从而对W5300A进行配置、查询数据包是否到来、收取/发送通信数据等等。
         
        二、FPGA与W5300A的硬件连接
        FPGA与W5300A的外部总线连接如下图所示（ref:W5300_v1.2.2_english，115-115）。
         

       

         

        FPGA和W5300的连线，我们称之为外部总线。FPGA为外部总线的主机，W5300为从机。通过外部总线，可以实现FPGA对W5300的读/写。图中DATA为十六位数据线，ADDR为10位地址线，WR为写使能，RD为读使能，CS为片选使能，INT为中断请求。
         
        三、外部总线的工作时序
        要使W5300正确读入/输出数据，外部总线上各信号电平应满足一定的时序要求。读时序如下图所示(ref:P120-122)：
         

       

       

         

        图中PLL_CLK为W5300A的内部时钟，频率为15OMHz。

         

         
        四、FPGA程序实现
        （1）FPGA网口通信模块的顶层结构如下图所示：

       

         

        BusDriver是核心模块，驱动外部总线和RX_FIFO的写使能以及TX_FIFO的读使能。RX_FIFO和TX_FIFO是两个16位的先进先出存储器。在FPGA内部，可以通过读取RX_FIFO的数据，写TX_FIFO实现与以太网的数据交换。
         
        （2）接口定义

引脚名称	IN/                                                                         OUT	说明	有效状态	位置
Enet_ADDR	OUT	网络芯片总线的地址位		外
Enet_BRDY	IN			外
Enet_CSn	OUT	网络芯片总线的片选	低	外
Enet_DATA	INOUT	网络芯片总线的数据位，16位		外
Enet_INTn	IN	网络芯片总线的中断位	低	外
Enet_L_LINK	IN	网络电气连接位	高	外
Enet_RDn	OUT	网络芯片总线的读使能	低	外
Enet_RST	OUT	网络芯片硬件复位	高	外
Enet_WRn	OUT	网络芯片总线的写使能	低	外
RESET	IN	Bus_fifo模块的初始化，包括总线模块和FIFO	低	内
rxfifo_dout	OUT	RX_FIFO的数据输出，16位		内
rxfifo_rd_en	IN	RX_FIFO的读使能，如果在rxfifo_empty_p为1，有可能出现错误。	高	内
rxfifo_empty_p	OUT	当RX_FIFO为空时，输出高电位	高	内
rxfifo_valid	OUT	在rxfifo_rd_en置1后一个fifo_clk置1，标示RX_FIFO输出数据有效。	高	内
txfifo_din	IN	TX_FIFO的数据输入，16位		内
txfifo_wr_en	IN	TX_FIFO的数据写使能	高	内
txfifo_full	OUT	当TX_FIFO满时，输出高电位	高	内
txfifo_valid	OUT	TX_FIFO数据输出有效位	高	内
fifo_clk	IN	RX_FIFO的读时钟和TX_FIFO的写时钟，上升沿从FIFO中读取或写入数据。10M	升	内
CLK	IN	bus_driver的时钟，RX_FIFO的写时钟和TX_FIFO的读时钟。100M	升	内

        注：表中第五列“位置”，标示该信号线应连接至FPGA内部信号或者FPGA外部信号。
         
        （3）TCP工作模式
        PC机与W5300A通信采用TCP协议。对于TCP模式，通信的一方根据IP地址和端口号与对端建立SOCKET连接。再通过指定的SOCKET发送和接收数据。建立SOCKET的连接有两种方式：“TCP服务器”和“TCP客户端”。区别在于谁首先发送连接请求（SYS数据包）。“TCP服务器”等待对端的连接请求，当收到连接请求时建立SOCKET连接（被动打开）。“TCP客户端”主动发出连接请求，与对端建立连接（主动打开）。出于方便考虑，由PC端发起连接，设定PC端为TCP客户端，W5300A为TCP服务端。通信流程如下图所示(ref：90)。
         

       

         

        图中的LISTEN、ESTALISHED、CLOSED为对应SOCKET的状态。对W5300A的SOCKET正确地初始化（OPEN）后，SOCKET处于LISTEN状态，对网络进行侦听。当收到客户端发来的连接请求（SYS数据包），变为ESTABLISHED状态，此时客户端和服务器可以进行数据通信。当服务器断开连接或者收到客户端发来的断开请求（FIN数据包），W5300A相应的SOCKET状态变为CLOSED。服务器SOCKET更为详细的状态转换过程可以参考W5300A手册77页。
         
        （4）busdriver模块的工作流程
        busdriver通过外部总线对网络芯片进行复位和数据交换。通过访问W5300A的寄存器，实现网络芯片的配置、监控、数据收/发。同时，busdriver监视FIFO，如果RX_FIFO则暂缓收数；如果TX_FIFO不空则发送数据。Busdriver的工作流程如下图所示。
         

       

         

        图中，重置芯片是指：对芯片硬件复位、软件复位；基本配置包括：配置 W5300A的MAC地址、IP地址、子网掩码、网关地址，分配W5300A的存储空间，中断设置等等。中断服务程序主要是读取芯片的中断寄存器，获取中断类型，并复位中断寄存器。值得注意的是，上图所示的流程是查询方式而不是中断方式。启动SOCKET的程序主要是：设置SOCKET端口号，工作模式（TCP服务器端），打开SOCKET、开始侦听等等。

         

        （5）以太网通信的程序实现

        考虑到处理器是FPGA，采用VHDL语言描述图中所示流程。与C语言顺序为执行不同，VHDL基于硬件结构、并发执行。图中用C语言可以很方便地描述出来，但是要在FPGA里面实现，则需要灵活运用状态机以控制其流程，且要尽力避免竞争和险象。限于正文篇幅，源程序在附录中给出。