基于FPGA的UDP RGMII千兆以太网通信方案

本文介绍一个FPGA开源项目：UDP RGMII千兆以太网通信。该项目在我之前的工作中主要是用于FPGA和电脑端之间进行图像数据传输。本文简要介绍一下该项目的千兆以太网通信方案、以太网IP核的使用以及Vivado工程源代码结构。

Vivado 的 Tri Mode Ethernet MAC IP核需要付费才能使用，因此本文提供完整工程源码。

01软硬件平台

• 软件平台：Vivado 2017.4;
• 硬件平台：XC7K410TFFG900-2;

02RGMII接口

本设计采用 RGMII 接口的 88E1512 芯片。RGMII 接口的主要优势在于，它可以同时适用于1000M、100M、10M三种速率，并且接口占用引脚数较少。

RGMII 使用 4bit 数据接口采用上下沿 DDR（Double Data Rate）的方式在一个时钟周期内传输 8bit 数据信号，即上升沿发送或者接收数据的低4位[3:0]，下降沿发送或者接收数据的高4位[7:4]。同理，使用 1bit 控制接口采用 DDR 的方式在一个时钟周期内传输 2bit 控制信号。

• 发送端：tx_clk，tx_d[3:0]，tx_ctrl；
• 接收端：rx_clk，rx_d[3:0]，rx_ctrl；

• 三种速率模式

RGMII 接口适用于1000M、100M、10M三种传输速率。

当工作于1000M时，时钟信号TXC和RXC均为 125MHz，4bit数据信号上下沿值均有效，控制信号上下沿值也均有效。

当工作于100M时，时钟信号TXC和RXC均为25MHz，4bit数据信号只有上升沿值[3:0]有效，相当于此时数据信号切换为单沿SDR（Single Data Rata）4位输模式。控制信号仍为上下沿有效。

当工作于10M时，时钟信号TXC和RXC均为2.5MHz，数据信号和控制信号的使用和100M速率时完全相同。

03UDP通信方案

该以太网通信方案参考米联客例程设计，硬件接口采用RGMII，IP核调用Vivado 的 Tri Mode Ethernet MAC。通信方案如下图所示，最上层为用户逻辑模块，用于处理和使用解析后的以太网通信数据；uiudp_stack 模块采用米联客例程提供的协议栈网表文件；FPGA 以太网IP核采用Tri Mode Ethernet Mac；PHY芯片采用 88E1512；最后 RJ-45 接口通过网线与上位机连接。

下图为以太网数据环路传输测试方案，在电脑上通过网络调试助手向FPGA发送任意小于1472字节长度的UDP数据包。由于Tri Mode Ethernet Mac IP核接口数据流为8bits/125M，而uiudp_stack为64bits/15.625M，因此需要在中间插入FIFO缓存模块，进行数据位宽转换以及数据跨时钟域处理。

04工程源码结构

下图是该项目 Vivado 工程源码结构：

其中，

• udp_transmit：UDP以太网数据收发模块；
• loopback_test：UDP以太网数据回环传输测试模块；
• tri_mode_ethernet_mac_0_axi_lite_sm：用于配置、读取以太网IP核寄存器等。

05IP核参数配置

使用千兆通讯，因此将速率设为 1Gbps；

接口参数配置如下：

另外，有关 UDP 协议栈 uiudp_stack 的详细信息这里不再介绍，其pdf文档和源码一起提供，有需要的小伙伴可以自己去查阅。

06其它注意事项

• PHY芯片 复位信号 ：上电后将复位信号拉高；
• FPGA RGMII输出 I/O 口 电平标准 ：配置成 SSTL 电平标准。