FPGA通過(guò)以太網(wǎng)與PC機(jī)通信完整方案

一、簡(jiǎn)介

使用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)PC和FPGA的通信，相對(duì)于串口而言，具有更高的傳輸速度。采用以太網(wǎng)接口的目的在于，在一定技術(shù)要求下，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。從而可以借助PC機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，降低FPGA的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

成都浩然電子有限公司開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模塊HS-NM5300A，作為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的主要元件。模塊以韓國(guó)Wiznet公司開(kāi)發(fā)W5300A為關(guān)鍵芯片。模塊一端為RJ45，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交叉線與PC機(jī)相連；另一端為外部總線，與FPGA的IO相連。模塊內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX的以太網(wǎng)物理層，支持自動(dòng)握手功能，支持固件TCP/IP協(xié)議，通信理想速率可達(dá)到50Mbps。

W5300A接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行協(xié)議解析，并將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存在其內(nèi)部寄存器中，或者將寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)打包封裝發(fā)送到以太網(wǎng)上。FPGA通過(guò)外部總線，訪問(wèn)W5300A的寄存器，從而對(duì)W5300A進(jìn)行配置、查詢數(shù)據(jù)包是否到來(lái)、收取/發(fā)送通信數(shù)據(jù)等等。

二、FPGA與W5300A的硬件連接

FPGA與W5300A的外部總線連接如下圖所示（ref:W5300_v1.2.2_english，115-115）。

FPGA和W5300的連線，我們稱之為外部總線。FPGA為外部總線的主機(jī)，W5300為從機(jī)。通過(guò)外部總線，可以實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)W5300的讀/寫(xiě)。圖中DATA為十六位數(shù)據(jù)線，ADDR為10位地址線，WR為寫(xiě)使能，RD為讀使能，CS為片選使能，INT為中斷請(qǐng)求。

三、外部總線的工作時(shí)序

要使W5300正確讀入/輸出數(shù)據(jù)，外部總線上各信號(hào)電平應(yīng)滿足一定的時(shí)序要求。讀時(shí)序如下圖所示(ref:P120-122)：

圖中PLL_CLK為W5300A的內(nèi)部時(shí)鐘，頻率為15OMHz。

四、FPGA程序?qū)崿F(xiàn)

（1）FPGA網(wǎng)口通信模塊的頂層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

BusDriver是核心模塊，驅(qū)動(dòng)外部總線和RX_FIFO的寫(xiě)使能以及TX_FIFO的讀使能。RX_FIFO和TX_FIFO是兩個(gè)16位的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。在FPGA內(nèi)部，可以通過(guò)讀取RX_FIFO的數(shù)據(jù)，寫(xiě)TX_FIFO實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

（2）接口定義

注：表中第五列“位置”，標(biāo)示該信號(hào)線應(yīng)連接至FPGA內(nèi)部信號(hào)或者FPGA外部信號(hào)。

（3）TCP工作模式

PC機(jī)與W5300A通信采用TCP協(xié)議。對(duì)于TCP模式，通信的一方根據(jù)IP地址和端口號(hào)與對(duì)端建立SOCKET連接。再通過(guò)指定的SOCKET發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。建立SOCKET的連接有兩種方式：“TCP服務(wù)器”和“TCP客戶端”。區(qū)別在于誰(shuí)首先發(fā)送連接請(qǐng)求（SYS數(shù)據(jù)包）。“TCP服務(wù)器”等待對(duì)端的連接請(qǐng)求，當(dāng)收到連接請(qǐng)求時(shí)建立SOCKET連接（被動(dòng)打開(kāi)）。“TCP客戶端”主動(dòng)發(fā)出連接請(qǐng)求，與對(duì)端建立連接（主動(dòng)打開(kāi)）。出于方便考慮，由PC端發(fā)起連接，設(shè)定PC端為TCP客戶端，W5300A為TCP服務(wù)端。通信流程如下圖所示(ref：90)。

圖中的LISTEN、ESTALISHED、CLOSED為對(duì)應(yīng)SOCKET的狀態(tài)。對(duì)W5300A的SOCKET正確地初始化（OPEN）后，SOCKET處于LISTEN狀態(tài)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偵聽(tīng)。當(dāng)收到客戶端發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求（SYS數(shù)據(jù)包），變?yōu)镋STABLISHED狀態(tài)，此時(shí)客戶端和服務(wù)器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)服務(wù)器斷開(kāi)連接或者收到客戶端發(fā)來(lái)的斷開(kāi)請(qǐng)求（FIN數(shù)據(jù)包），W5300A相應(yīng)的SOCKET狀態(tài)變?yōu)镃LOSED。服務(wù)器SOCKET更為詳細(xì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以參考W5300A手冊(cè)77頁(yè)。

（4）busdriver模塊的工作流程

busdriver通過(guò)外部總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行復(fù)位和數(shù)據(jù)交換。通過(guò)訪問(wèn)W5300A的寄存器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)芯片的配置、監(jiān)控、數(shù)據(jù)收/發(fā)。同時(shí)，busdriver監(jiān)視FIFO，如果RX_FIFO則暫緩收數(shù)；如果TX_FIFO不空則發(fā)送數(shù)據(jù)。Busdriver的工作流程如下圖所示。

圖中，重置芯片是指：對(duì)芯片硬件復(fù)位、軟件復(fù)位；基本配置包括：配置 W5300A的MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址，分配W5300A的存儲(chǔ)空間，中斷設(shè)置等等。中斷服務(wù)程序主要是讀取芯片的中斷寄存器，獲取中斷類型，并復(fù)位中斷寄存器。值得注意的是，上圖所示的流程是查詢方式而不是中斷方式。啟動(dòng)SOCKET的程序主要是：設(shè)置SOCKET端口號(hào)，工作模式（TCP服務(wù)器端），打開(kāi)SOCKET、開(kāi)始偵聽(tīng)等等。

（5）以太網(wǎng)通信的程序?qū)崿F(xiàn)

考慮到處理器是FPGA，采用VHDL語(yǔ)言描述圖中所示流程。與C語(yǔ)言順序?yàn)閳?zhí)行不同，VHDL基于硬件結(jié)構(gòu)、并發(fā)執(zhí)行。圖中用C語(yǔ)言可以很方便地描述出來(lái)，但是要在FPGA里面實(shí)現(xiàn)，則需要靈活運(yùn)用狀態(tài)機(jī)以控制其流程，且要盡力避免競(jìng)爭(zhēng)和險(xiǎn)象。限于正文篇幅，源程序在附錄中給出。