基于FPGA的ARP协议实现
作者：互联网
一、ARP帧存在的作用：
在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起这个作用。
二、ARP帧的工作原理：
源主机发出ARP请求，询问“IP地址是 192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。
三、ARP数据报格式
*** 以太网目的地址：48'hff_ff_ff_ff_ff_ff，广播到电脑；
*** 以太网源地址：48'h00_0a_35_01_fe_c0,开发板的以太网芯片地址（貌似是可以自己设定）；
*** 帧类型：0x0806表示ARP帧；
*** 硬件类型：0x0001表示以太网类型值；
*** 协议类型：0x0800表示上层协议为IP协议；
*** 硬件地址长度：0x6表示以太网的地址长度是6个字节；
*** 协议地址长度：0x4表示IP地址长度为4个字节；
*** op：0x1表示ARP请求包，0x2表示ARP应答包；
*** 发送者硬件地址：源MAC地址（开发板的以太网芯片地址）；
*** 发送者IP：发送方的IP地址；
*** 目的硬件地址：电脑的MAC地址；
*** 目标IP地址：电脑的IP地址；
四、MAC协议格式
*** 前导码：55_55_55_55_55_55_55，是用来实现数据的同步；
*** SFD：帧起始界定符：8'h5d，表示一帧的开始；
*** FCS：为确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了4个字节的循环冗余校验码（CRC校验） ；
五、ARP协议是加载在MAC协议上来发送的，如下图所示：
六、代码设计（参考的小梅哥的设计思路，在小梅哥的设计的基础上，做了小小的修改）
1 // Time : 2020.04.06 21:12
2 // Describe : eth_test
3
4 module eth_test(
5 rst_n,
6
7 //MII 接口信号
8 mii_tx_clk,
9 mii_tx_en,
10 mii_tx_er,
11 mii_tx_data,
12
13 mii_rx_clk,
14 mii_rx_dv,
15 mii_rx_er,
16 mii_rx_data,
17
18 phy_rst_n
19 );
20
21 input rst_n;
22
23 input mii_tx_clk; //MII接口发送时钟，由PHY芯片产生，25MHz
24 output mii_tx_en; //MII接口发送数据使能信号，高电平有效
25 output mii_tx_er; //发送错误，用以破坏数据包发送
26 output reg[3:0]mii_tx_data; //MII接口发送数据线，FPGA通过该数据线将需要发送的数据依次送给PHY芯片
27 output phy_rst_n; //PHY 复位信号
28
29 input mii_rx_clk; //MII接口接收时钟，由PHY芯片产生，25MHz
30 input mii_rx_dv; //MII接口接收数据有效信号，高电平有效
31 input mii_rx_er; //接收错误，本实例中暂时忽略该信号
32 input [3:0]mii_rx_data; //MII接口数据总线，FPGA通过该数据线读取PHY芯片接收到的以太网数据
33
34 assign phy_rst_n = 1'b1;
35
36 parameter des_mac = 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff; //目标MAC地址
37 parameter src_mac = 48'h34_23_87_99_f4_61; //本机/源MAC地址
38 parameter type_length = 16'h08_06; //数据帧类型
39 parameter data_length = 12'd92; //数据长度（因为MII接口一个字节分两个时钟，每个时钟4位的方式发送，因此本值为实际数据所占字节数的2倍）
40
41 parameter CRC = 32'h5b0ea9fa; //整个数据包CRC校验值，本例中使用CRC计算软件计算得出。
42
43 wire[31:0] CRC_Result;
44
45 assign CRC_Result = {CRC[7:0],CRC[15:8],CRC[23:16],CRC[31:24]}; //调整 CRC校验字字节顺序以符合以太网数据包校验格式
46
47 wire tx_go; // 使能发送
48
49 reg [7:0] lsm_cnt; //序列机计数器，本以太网帧发送系统使用线性序列机方式设计
50 reg en_tx; //内部的数据帧发送使能信号，高电平时将数据通过MII接口送出
51
52 reg [28:0]cnt; //发送间隔计数器
53 always@(posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)
54 if(!rst_n)
55 cnt <= 28'd0;
56 else if(cnt == 28'd3500) // 35000000
57 cnt <= 28'd0;
58 else
59 cnt <= cnt + 1'b1;
60
61 //每671ms启动一次发送数据
62 assign tx_go = (cnt == 28'd3500) ? 1'b1 : 1'b0; // 35000000
63
64 //根据发送启动信号产生内部发送使能信号
65 always@(posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)
66 if(!rst_n)
67 en_tx <= 1'd0;
68 else if(tx_go)
69 en_tx <= 1'd1;
70 else if(lsm_cnt >= 145) //一帧数据发送完成，清零发送使能信号
71 en_tx <= 1'd0;
72
73 always@(posedge mii_tx_clk or negedge rst_n) //主序列机计数器
74 if(!rst_n)
75 lsm_cnt <= 8'd0;
76 else if(en_tx) begin
77 if(lsm_cnt == 8'd145)
78 lsm_cnt <= 8'd0;
79 else
80 lsm_cnt <= lsm_cnt + 1'b1;
81 end
82 else
83 lsm_cnt <= 8'd0;
84
85 /*
86 always@(posedge mii_tx_clk or negedge rst_n)
87 if(!rst_n) begin
88 mii_tx_data <= 4'd0;
89 end
90 else begin
91 */
92 always@(*) begin
93 case(lsm_cnt)
94 1: mii_tx_data <= 4'h5; // 前导码 + 分隔符的一个5
95 2: mii_tx_data <= 4'h5;
96 3: mii_tx_data <= 4'h5;
97 4: mii_tx_data <= 4'h5;
98 5: mii_tx_data <= 4'h5;
99 6: mii_tx_data <= 4'h5;
100 7: mii_tx_data <= 4'h5;
101 8: mii_tx_data <= 4'h5;
102 9: mii_tx_data <= 4'h5;
103 10:mii_tx_data <= 4'h5;
104 11:mii_tx_data <= 4'h5;
105 12:mii_tx_data <= 4'h5;
106 13:mii_tx_data <= 4'h5;
107 14:mii_tx_data <= 4'h5;
108 15:mii_tx_data <= 4'h5;
109
110 16: mii_tx_data <= 4'hd; // 分隔符
111
112 17: mii_tx_data <= des_mac[43:40]; // 目的MAC地址，先发高八位中的低四位 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff
113 18: mii_tx_data <= des_mac[47:44];
114 19: mii_tx_data <= des_mac[35:32];
115 20: mii_tx_data <= des_mac[39:36];
116 21: mii_tx_data <= des_mac[27:24];
117 22: mii_tx_data <= des_mac[31:28];
118 23: mii_tx_data <= des_mac[19:16];
119 24: mii_tx_data <= des_mac[23:20];
120 25: mii_tx_data <= des_mac[11:8];
121 26: mii_tx_data <= des_mac[15:12];
122 27: mii_tx_data <= des_mac[3:0];
123 28: mii_tx_data <= des_mac[7:4];
124
125
126 29: mii_tx_data <= src_mac[43:40];// 0 //源MAC地址 48'h00_0a_35_01_fe_c0
127 30: mii_tx_data <= src_mac[47:44];// 0
128 31: mii_tx_data <= src_mac[35:32];// a
129 32: mii_tx_data <= src_mac[39:36];// 0
130 33: mii_tx_data <= src_mac[27:24];// 5
131 34: mii_tx_data <= src_mac[31:28];// 3
132 35: mii_tx_data <= src_mac[19:16];// 1
133 36: mii_tx_data <= src_mac[23:20];// 0
134 37: mii_tx_data <= src_mac[11:8]; // e
135 38: mii_tx_data <= src_mac[15:12];// f
136 39: mii_tx_data <= src_mac[3:0]; // 0
137 40: mii_tx_data <= src_mac[7:4]; // c
138
139
140 41: mii_tx_data <= type_length[11:8]; //以太网帧类型/长度
141 42: mii_tx_data <= type_length[15:12];
142 43: mii_tx_data <= type_length[3:0];
143 44: mii_tx_data <= type_length[7:4];
144
145 45: mii_tx_data = 4'h0;
146 46: mii_tx_data = 4'h0;
147 47: mii_tx_data = 4'h1;
148 48: mii_tx_data = 4'h0;
149
150 //protocol type
151 49: mii_tx_data = 4'h8;
152 50: mii_tx_data = 4'h0;
153 51: mii_tx_data = 4'h0;
154 52: mii_tx_data = 4'h0;
155
156 //hdwr size
157 53: mii_tx_data = 4'h6;
158 54: mii_tx_data = 4'h0;
159
160 //protocol size
161 55: mii_tx_data = 4'h4;
162 56: mii_tx_data = 4'h0;
163
164 //opcode
165 57: mii_tx_data = 4'h0;
166 58: mii_tx_data = 4'h0;
167 59: mii_tx_data = 4'h1;
168 60: mii_tx_data = 4'h0;
169
170 //sender mac
171 61: mii_tx_data = 4'h0;
172 62: mii_tx_data = 4'h0;
173 63: mii_tx_data = 4'ha;
174 64: mii_tx_data = 4'h0;
175 65: mii_tx_data = 4'h5;
176 66: mii_tx_data = 4'h3;
177 67: mii_tx_data = 4'h1;
178 68: mii_tx_data = 4'h0;
179 69: mii_tx_data = 4'he;
180 70: mii_tx_data = 4'hf;
181 71: mii_tx_data = 4'h0;
182 72: mii_tx_data = 4'hc;
183
184 //sender ip : 192.168.0.2
185 73: mii_tx_data = 4'h0;//192
186 74: mii_tx_data = 4'hc;
187
188 75: mii_tx_data = 4'h8;//168
189 76: mii_tx_data = 4'ha;
190
191 77: mii_tx_data = 4'h0;//0
192 78: mii_tx_data = 4'h0;
193
194 79: mii_tx_data = 4'h2;
195 80: mii_tx_data = 4'h0;//2
196
197 //target mac
198 81: mii_tx_data = 4'h4; // 4 //48'b84 7b eb 48 94 13
199 82: mii_tx_data = 4'h3; // 8 //48'b34 23 87 99 f4 61
200 83: mii_tx_data = 4'h3; // b
201 84: mii_tx_data = 4'h2; // 7
202 85: mii_tx_data = 4'h7; // b
203 86: mii_tx_data = 4'h8; // e
204 87: mii_tx_data = 4'h9; // 8
205 88: mii_tx_data = 4'h9; // 4
206 89: mii_tx_data = 4'h4; // 4
207 90: mii_tx_data = 4'hf; // 9
208 91: mii_tx_data = 4'h1; // 3
209 92: mii_tx_data = 4'h6; // 1
210
211 //target ip : 192.168.0.3
212 93: mii_tx_data = 4'h0;//192
213 94: mii_tx_data = 4'hc;
214
215 95: mii_tx_data = 4'h8;//168
216 96: mii_tx_data = 4'ha;
217
218 97: mii_tx_data = 4'h0;//0
219 98: mii_tx_data = 4'h0;
220
221 99: mii_tx_data = 4'h3;//3
222 100: mii_tx_data = 4'h0;
223
224 //填充字段，以使整个数据帧长度达到64字节
225 101: mii_tx_data = 4'h0;
226 102: mii_tx_data = 4'h0;
227 103: mii_tx_data = 4'h0;
228 104: mii_tx_data = 4'h0;
229 105: mii_tx_data = 4'hf;
230 106: mii_tx_data = 4'hf;
231 107: mii_tx_data = 4'hf;
232 108: mii_tx_data = 4'hf;
233 109: mii_tx_data = 4'hf;
234 110: mii_tx_data = 4'hf;
235 111: mii_tx_data = 4'hf;
236 112: mii_tx_data = 4'hf;
237 113: mii_tx_data = 4'hf;
238 114: mii_tx_data = 4'hf;
239 115: mii_tx_data = 4'hf;
240 116: mii_tx_data = 4'hf;
241 117: mii_tx_data = 4'h0;
242 118: mii_tx_data = 4'h0;
243 119: mii_tx_data = 4'h3;
244 120: mii_tx_data = 4'h2;
245 121: mii_tx_data = 4'hd;
246 122: mii_tx_data = 4'hc;
247 123: mii_tx_data = 4'h6;
248 124: mii_tx_data = 4'h7;
249 125: mii_tx_data = 4'h3;
250 126: mii_tx_data = 4'h6;
251 127: mii_tx_data = 4'ha;
252 128: mii_tx_data = 4'h1;
253 129: mii_tx_data = 4'h8;
254 130: mii_tx_data = 4'h0;
255 131: mii_tx_data = 4'h6;
256 132: mii_tx_data = 4'h0;
257 133: mii_tx_data = 4'h0;
258 134: mii_tx_data = 4'h0;
259 135: mii_tx_data = 4'h1;
260 136: mii_tx_data = 4'h0;
261
262 137: mii_tx_data <= CRC_Result[27:24]; //发送CRC 校验结果
263 138: mii_tx_data <= CRC_Result[31:28];
264 139: mii_tx_data <= CRC_Result[19:16];
265 140: mii_tx_data <= CRC_Result[23:20];
266 141: mii_tx_data <= CRC_Result[11:8];
267 142: mii_tx_data <= CRC_Result[15:12];
268 143: mii_tx_data <= CRC_Result[3:0];
269 144: mii_tx_data <= CRC_Result[7:4];
270
271 145: mii_tx_data <= 4'd0;
272 default: mii_tx_data <= 4'd0;
273 endcase
274 end
275
276 /*
277 always@(posedge mii_tx_clk or negedge rst_n) //MII数据发送使能信号
278 if(!rst_n)
279 mii_tx_en <= 1'b0;
280 else if((lsm_cnt >= 1) && (lsm_cnt <= 144)) // lsm_cnt >= 1
281 mii_tx_en <= 1'b1;
282 else
283 mii_tx_en <= 1'b0;
284 */
285
286 assign mii_tx_en = ((lsm_cnt >= 1) && (lsm_cnt <= 144)) ? 1'b1 : 1'b0;
287
288 endmodule
289
View Code
测试代码：
1 `timescale 1ns/1ns 2 3 module eth_test_tb; 4 5 reg rst_n; 6 //MII 接口信号 7 reg mii_tx_clk; 8 wire mii_tx_en; 9 wire mii_tx_er; 10 wire [3:0]mii_tx_data; 11 wire phy_rst_n; 12 13 eth_test eth_test( 14 .rst_n(rst_n), 15 .mii_tx_clk(mii_tx_clk), 16 .mii_tx_en(mii_tx_en), 17 .mii_tx_er(mii_tx_er), 18 .mii_tx_data(mii_tx_data), 19 .phy_rst_n(phy_rst_n) 20 ); 21 22 initial mii_tx_clk = 1; 23 always #20 mii_tx_clk = ~mii_tx_clk; 24 25 initial begin 26 rst_n = 0; 27 #201; 28 rst_n = 1; 29 30 #1000000; 31 32 $stop; 33 end 34 35 endmoduleView Code
仿真效果：
图1
图2
上板效果图：
图3
注：代码设计参考了小梅哥的设计，梅哥写的比较简单易懂，文字叙述方面也摘抄了梅哥的《基于ac620的fpga系统设计与验证实战指南20190516》；
标签：ARP,mii,基于,FPGA,tx,clk,地址,rst 来源： https://www.cnblogs.com/571328401-/p/12655923.html