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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DSR AR帕类的处理器，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处理器不是
2、一种好方案。除了单片机、DSR AR/卜，还有一种处理器也被广泛应用，那就是FPGA现在FPGA勺功能越来越多， 片内资源也越来越多。 像新出的ALTERAFPGAft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，但
3、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议，那么就只需实现简易 ARR 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 I骇概述1.1 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，
4、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-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，单次传输最大净负荷数据为1472字节。6) 在IP核配置时UD所口 TCP不能同时被包含，ICM
5、P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) 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
6、数字节的时序图如下图1.3所示；前缀为 L1的信号为与网络芯片控制器逻辑接口的信号，它也遵循AvalonStream接口协议。：net_siacK_tc pic林ratnat_(p_addft：31. 0|L3TxUdp_rttadyLSRxU ds-validL3RxU cp_eni ptyL3RxUdp_datsI1f .0L3R xll dp_ st a rtMpadc fitL3RxUdp_enaofpacketL1 T?C_? 3lHjL1 T_empt/L1TN_datan5r.QjLlT?L_startcfpick etLefi do f jacket_1 R.x_radyi口I
7、|i|iiiiiI-iiI!inBL_ port15. U nat_m ac_a idrl47. .01 L3T)tUdp_ valid LiIiU dp._empty L3TxUdp_dBtan5.0I L37xU dp_a： arc flacket LIxU dp_endcfpacket L3RxUdp_neady Ll7x_rea dy L1Rx_vg1icL1 R?c_ferripLy L1Rxdsia15.t i_1 Rx_&tartofpac6t Li Rx_e-n def packet in stj图 1.1 NET_STACK IP核UDP英式顶层接口:nel吗F &IF MH
8、4 HiMAipiHBiriyiim* 1 ! i 11ar口i事 m mb imbm |Mini苜lapimIBelkL3Ix It p_readvj1rsiURxTc。加。natjpLatMH31 QIL3R3tlcp_emp(ynai_pcn(i5 SL3R)iTcp_aaca(i5 QJ ojL3RxTcp_startorpatKei .口L3TxTcp_vaiLaL3R t Tc p _eodo f pat KtL3T( Tc p_empl yL3Tc pJirikOnL3Tm Tcp_data 15 OjU Tx_v addL3Tx TcpatKetLlTx_ftfnply.t3T
9、xTe p endofpac ke(UT督回L3Rj( It readyL1T _fitartor packetLiix_reaUTtendof packetLiaiidL1 R.x _readyLlRxjempty1LiRxjaaiai5 5L iRitj&iariaf paciKeiLiRs_entiofpatKet1 :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) 采用
10、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；2) 设置IP核内接收缓冲区和发送缓冲区RAM勺大小；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 。2NET_STACK I骇性能评估2.1 资源占用此IP核占用的资源类型只有逻辑资源和片内 RA晒种，下图2
11、.1和图2.2分别为IP核在UDP英式和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Cyclonell 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_INCL
12、UDED勺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。沁卡T 心声J &如找UM.wl w 亡加例豺gJ AM 由 Mt修用注VQM 5E btf mdistf tmless wrSiWTffl fMmRnv rwyrrfhew g erabM.OO We图2.3 QuartusII中分析综合优化参数EntityLogk CelsL edceted Logic Regrstersm 口_制0 ： *p_send_i5r115(115)炉0刀Jsr
13、二I 印的1；1券ipjecv:jp_recv_tsr74电7(27)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192.168.0.31 ,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数据处理速度测试Cyclonell 系歹U EP2c35F484C7,测试环境：采用闭环 LOOPBAC蒯试系统，即将与应用层逻辑接口的接收信号和发送信号对应短接，器件为编译器为 QuartusII 11.0，网卡控制器为 DM9000CEP测量的时间段为 NET_STAC啜收到DM9000A_CTRLER此为网络芯片控制
14、器IP核）发送区的最后一个数据至 NET_STACK DM9000A_CTRLER：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 ）ARP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，因此，它的系统时钟速率不受外部器件IO访问速率的
