[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] UDP通信篇连载-08 仿真验证

软件版本：Anlogic -TD5.9.1-DR1_ES1.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用安路(Anlogic)FPGA

实验平台：米联客-MLK-L1-CZ06-DR1M90G开发板

板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/

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4 仿真验证

仿真代码的顶层如下：

 

`timescale 1ns / 1ps
module sim_top;
reg         I_reset;
reg         I_clk;
wire        b_r_udp_valid;
wire [7 :0] b_r_udp_data;
wire [15:0] b_r_udp_data_len;
wire [15:0] b_r_udp_src_port;
wire        O_a_ip_rx_error;
wire        O_a_mac_rx_error;
wire        O_b_ip_rx_error;
wire        O_b_mac_rx_error;
test_udp_loop test_udp_loop_u(
.I_reset            (I_reset),
.I_clk              (I_clk),

.b_r_udp_valid      (b_r_udp_valid),
.b_r_udp_data       (b_r_udp_data),
.b_r_udp_data_len   (b_r_udp_data_len),
.b_r_udp_src_port   (b_r_udp_src_port),

.O_a_ip_rx_error    (O_a_ip_rx_error),
.O_a_mac_rx_error   (O_a_mac_rx_error),
.O_b_ip_rx_error    (O_b_ip_rx_error),
.O_b_mac_rx_error   (O_b_mac_rx_error)
);
initial begin
    I_clk = 0;
    I_reset = 1;
    #2000;
    I_reset = 0;
end
always #4 I_clk <= ~I_clk;     
endmodule

 

 

4.1 数据通信仿真

例化两个UDP协议栈模块，分别为主机A和主机B，主机A将用户端输入的数据打包，通过GMII接口发送给主机B，主机B将数据解包后输出至用户端，观察各层的信号变化。

4.1.1 仿真代码编写

初始状态机为WAIT_UDP_RDY，等待主机A的O_W_udp_busy信号为低时，用户端将I_W_udp_req信号拉高，状态机进入WAIT_UDP_ACK状态。待主机A将O_W_udp_busy拉高时，用户端将I_W_udp_req拉低，状态机跳转至SEND_DATA状态，计数器开始计数，发送的数据为计数器的低8位。当数据都发送完毕时，状态机跳回WAIT_UDP_RDY状态，等待下一次数据的发送。仿真代码如下：

`timescale 1ns / 1ps

module test_udp_loop(
input  wire        I_reset,
input  wire        I_clk,

output wire        b_r_udp_valid,
output wire [7 :0] b_r_udp_data,
output wire [15:0] b_r_udp_data_len,
output wire [15:0] b_r_udp_src_port,

output wire        O_a_ip_rx_error,
output wire        O_a_mac_rx_error,
output wire        O_b_ip_rx_error,
output wire        O_b_mac_rx_error
);


wire        a_w_udp_rdy;
reg         a_w_udp_req;
reg         a_w_udp_valid;
wire [7:0]  a_w_udp_data;
reg  [15:0] a_w_udp_len;
reg         a_w_udp_data_read;

wire        b_w_udp_rdy;
reg         b_w_udp_req;
reg         b_w_udp_valid;
wire [7:0]  b_w_udp_data;
reg  [15:0] b_w_udp_len;
reg         b_w_udp_data_read;

wire        a_r_udp_valid;
wire [7 :0] a_r_udp_data;
wire [15:0] a_r_udp_data_len;
wire [15:0] a_r_udp_src_port;

reg  [9 :0] test_data;
reg  [1 :0] STATE;

parameter  WAIT_UDP_READY = 0;
parameter  WAIT_UDP_ACK = 1;
parameter  SEND_DATA = 2;

always@(posedge I_clk or posedge I_reset)begin
   if(I_reset) begin
        a_w_udp_req         <= 1'b0;
        a_w_udp_valid       <= 1'b0;
        a_w_udp_len         <= 16'd0;
        test_data           <= 10'd0;
        STATE               <= WAIT_UDP_READY;
        
    end
    else begin  
        case(STATE)
            WAIT_UDP_READY:begin
                if(~a_w_udp_rdy) begin
                    a_w_udp_req             <= 1'b1;
                    STATE                   <= WAIT_UDP_ACK;
                end
                else begin
                    a_w_udp_req             <= 1'b0;
                    STATE                   <= WAIT_UDP_READY;
                end
            end
            WAIT_UDP_ACK:begin
                if(a_w_udp_rdy) begin
                    a_w_udp_len             <= 16'd768;
                    a_w_udp_valid           <= 1'b1;
                    a_w_udp_req             <= 1'b0;                
                    STATE                   <= SEND_DATA;
                end
                else
                    STATE <= WAIT_UDP_ACK;
            end
            SEND_DATA:begin
                if(test_data == 10'd767) begin
                    a_w_udp_valid           <= 1'b0;
                    a_w_udp_len             <= 16'd0;
                    test_data               <= 0;
                    STATE                   <= WAIT_UDP_READY;
                end
                else begin
                    a_w_udp_valid           <= 1'b1;
                    test_data               <= test_data + 1'b1;
                    STATE                   <= SEND_DATA;
                end
            end
        endcase
    end
end

//以下实现A发送,B接收的仿真测试
wire [7:0]  a_gmii_tdata;
wire        a_gmii_tvalid;
wire [7:0]  b_gmii_tdata;
wire        b_gmii_tvalid;

assign  a_w_udp_data = test_data[7:0];

udp_stack #
(
.CRC_GEN_EN             (1'b1),
.INTER_FRAME_GAP        (4'd12)
)
A_udp_stack
(
.I_uclk                 (I_clk), 
.I_reset                (I_reset), 

.I_mac_local_addr       (48'h0123456789a2),//本地MAC地址    
.I_udp_local_port       (16'd6002       ), //本地端口号
.I_ip_local_addr        (32'hc0a88902   ), //本地ip地址

.I_udp_dest_port        (16'd6001       ), //目的端口
.I_ip_dest_addr         (32'hc0a88901   ), //目的IP地址

.O_W_udp_busy           (a_w_udp_rdy), 
.I_W_udp_req            (a_w_udp_req), 
.I_W_udp_valid          (a_w_udp_valid), 
.I_W_udp_data           (a_w_udp_data), 
.I_W_udp_len            (a_w_udp_len), 

.O_R_udp_valid          (), 
.O_R_udp_data           (), 
.O_R_udp_len            (), 
.O_R_udp_src_port       (), 

.I_gmii_rclk            (I_clk),
.I_gmii_rvalid          (b_gmii_tvalid), 
.I_gmii_rdata           (b_gmii_tdata), 

.I_gmii_tclk            (I_clk),
.O_gmii_tvalid          (a_gmii_tvalid), 
.O_gmii_tdata           (a_gmii_tdata), 
.O_ip_rerror                (O_a_ip_rx_error), 
.O_mac_rerror           (O_a_mac_rx_error)
);

udp_stack #
(
.CRC_GEN_EN             (1'b1),
.INTER_FRAME_GAP        (4'd12)
)
B_udp_stack
(
.I_uclk                 (I_clk), 
.I_reset                (I_reset), 

.I_mac_local_addr       (48'h0123456789a1),//本地MAC地址    
.I_udp_local_port       (16'd6001       ), //本地端口号
.I_ip_local_addr        (32'hc0a88901   ), //本地ip地址

.I_udp_dest_port        (16'd6002   ), //目的端口
.I_ip_dest_addr         (32'hc0a88902   ), //目的IP地址

.O_W_udp_busy           (), 
.I_W_udp_req            (0), 
.I_W_udp_valid          (0), 
.I_W_udp_data           (0), 
.I_W_udp_len            (0), 

.O_R_udp_valid          (b_r_udp_valid), 
.O_R_udp_data           (b_r_udp_data), 
.O_R_udp_len            (b_r_udp_data_len), 
.O_R_udp_src_port       (b_r_udp_src_port), 

.I_gmii_rclk            (I_clk),
.I_gmii_rvalid          (a_gmii_tvalid), 
.I_gmii_rdata           (a_gmii_tdata), 

.I_gmii_tclk            (I_clk),
.O_gmii_tvalid          (b_gmii_tvalid), 
.O_gmii_tdata           (b_gmii_tdata), 
.O_ip_rerror                (O_b_ip_rx_error), 
.O_mac_rerror           (O_b_mac_rx_error)
);

endmodule

4.1.2 ARP请求仿真结果

主机A将数据打包发送给主机B时，由于主机A的cache中查询不到主机B的MAC地址，主机A会先发送一个ARP请求包给主机B。

当数据帧发送至ip_arp_tx模块时，该模块向ARP层的cache发送一个MAC地址查询请求I_mac_cache_ren和需要查询的IP地址I_mac_cache_rip_addr，查询结束后O_mac_cache_rdone拉高，返回的MAC地址为48'h0，说明未查询到MAC地址，ip_arp_tx模块将I_arp_treq_en拉高，准备发送ARP广播。arp_tx模块接收到I_arp_treq_en高电平时，发送ARP请求O_arp_req，ip_arp_tx模块将I_arp_busy拉高，表示握手成功，arp_tx模块开始组ARP广播包。下图为GMII接口发送ARP广播仿真波形图。

最后信号经过MAC层组帧后通过GMII接口发送至主机B。

4.1.3 ARP应答仿真结果

主机B接收到ARP请求包后，会将ARP包中的MAC地址解析，并将自己的MAC地址通过ARP应答包发送给主机A。主机A收到ARP应答包后，将主机B的MAC地址存入cache中。下图为解包后发送至arp_rx模块的数据。

MAC层解析数据的类型为ARP包，将该包数据通过ip_arp_rx模块发送给arp_rx模块，解析出IP地址、MAC地址，并将该包识别为ARP请求包。arp_rx发送arp_req_valid，信号给arp_tx模块，请求发送ARP应答包，同时将ARP请求包中的主机A的MAC地址写入cache中。arp_tx模块接收到应答请求并寄存，向ip_arp_tx模块发送请求，ip_arp_tx模块将busy信号拉高以表示握手成功。busy信号为高后，arp_tx模块组ARP应答包，将本地MAC地址等信息发送至下层协议。

ARP层发出的应答数据包经MAC层组帧，通过GMII接口发送至主机A。下图为主机A GMII接口接收到的ARP请求包数据。

主机A的MAC层识别数据为ARP数据包类型，发送至arp_rx模块中，arp_rx模块解析对方发送的IP地址和MAC地址，将MAC地址存入cache中。至此，地址解析完成，两机之间可以完成正常数据通信。

4.1.4 UDP发送仿真结果

udp_tx模块与下层模块握手成功后，将数据通过移位寄存器延迟8个周期，组成UDP包，发送至ip_tx模块，组成IP数据包，然后数据经ip_arp_tx模块仲裁，发送至mac_tx模块，组成MAC包后通过GMII接口发送。

下图为UDP层组UDP包的仿真波形图

下图为IP层组IP包的仿真波形图

由于数据都写入了data_fifo，当数据有效数据全部写入完成后，才会将数据读出，所以图中组的MAC包是上一个数据包正在发送的数据包IP头部的标识为16'h0000，而从上层传入的IP数据包包头标识为16'h0001。

下图为MAC层组MAC包的仿真波形图

4.1.5 UDP接收仿真结果

主机B的GMII接口接收到主机A发送的数据包，会将数据先存入FIFO做跨时钟域，当数据全部接收完成后，才会将数据读出，图中正在接收的数据包IP头部标识为16'h0003，发送至上层协议的数据包标识为16'h0002，即发送至IP层的数据包为上一个帧。下图为过滤MAC头部的仿真波形图

通过计数器去掉IP头部和UDP头部，最终得到有效数据，和发送的数据一致，如图所示。

4.2 PAUSE流控仿真

发送数据的内容和速率与上一节的仿真中一致，每隔一定的时间，在用户端组一个PAUSE帧发送至主机A，暂停时间设置为16'h007F，即主机A实际暂停时间为8128个时钟周期（7F（h）<< 6 = 8128（d））。

4.2.1 仿真代码编写

通过状态机和计数器，控制PAUSE帧发送到主机A的时序和间隔，同时不断地向主机A的用户端写数据。仿真代码如下：

always@(posedge I_clk or posedge I_reset)begin
    if(I_reset) begin
        pause_data      <=      8'd0;
        pause_vld       <=      1'b0;
        cnt1            <=      'd0;
        data_cnt        <=      'd0;
        STATE2          <=      WAIT_PAUSE_RDY;
    end
    else begin
        case(STATE2)
            WAIT_PAUSE_RDY:begin
                data_cnt    <=  'd0;
                if(cnt1 == 16'd5000) begin
                    cnt1    <=  'd0;
                    STATE2  <=  SEND_PAUSE_DATA;
                end
                else begin
                    cnt1    <=  cnt1 + 1'b1;
                    STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
                end
            end
            SEND_PAUSE_DATA:begin
                data_cnt    <=  data_cnt + 1'b1;
                case(data_cnt)
                    0   :begin  pause_data  <=  8'h55;  pause_vld   <=  1'b1;end
                    1   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    2   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    3   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    4   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    5   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    6   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
                    7   :begin  pause_data  <=  8'hd5;end

                    8   :begin  pause_data  <=  8'h01;end
                    9   :begin  pause_data  <=  8'h80;end
                    10  :begin  pause_data  <=  8'hc2;end
                    11  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
                    12  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
                    13  :begin  pause_data  <=  8'h01;end//pause广播地址
                    14  :begin  pause_data  <=  8'h01;end
                    15  :begin  pause_data  <=  8'h23;end
                    16  :begin  pause_data  <=  8'h45;end
                    17  :begin  pause_data  <=  8'h67;end
                    18  :begin  pause_data  <=  8'h89;end
                    19  :begin  pause_data  <=  8'ha1;end

                    20  :begin  pause_data  <=  8'h88;end
                    21  :begin  pause_data  <=  8'h08;end

                    22  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
                    23  :begin  pause_data  <=  8'h01;end

                    24  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
                    25  :begin  pause_data  <=  8'h7f;end

                    26  :begin  pause_data  <=  8'hff;end
                    27  :begin  pause_data  <=  8'hff;end
                    36  :begin  pause_data  <=  8'h15;end
                    37  :begin  pause_data  <=  8'hbf;end
                    38  :begin  pause_data  <=  8'h4b;end
                    39  :begin  pause_data  <=  8'h6c;end
                    40  :begin  
                        pause_data  <=  8'h00;
                        pause_vld   <=  1'b0;
                        STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
                    end
                    default:pause_data  <=  8'h00;
                endcase
            end
            default: begin
                pause_data      <=      8'd0;
                pause_vld       <=      1'b0;
                cnt1            <=      'd0;
                data_cnt        <=      'd0;
                STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
            end
        endcase
    end
end

4.2.2 PAUSE流控仿真结果

主机A接收到PAUSE帧后，会将PAUSE帧里的信息送入mac_tx_frame_ctrl模块中进行解析，得到暂停时间，并发送给至mac_tx模块，如图所示。

当mac_tx模块中的读状态机进入帧间隔状态时，通过计数器将pause_flag拉高一定的时间。检测到下一帧发送方的MAC地址与PAUSE帧发送方的MAC地址相同，均为48'h0123456789a1，进入暂停状态。

仿真波形图如图，由下图可知，pause_flag拉高的时间为65024ns，即为8128个时钟周期。

4.3 ICMP层仿真

向主机A发送一个ping请求包，主机A成功接收到ping请求包后，发送一个ping应答包，其中的额外数据与请求包相同。

4.3.1 仿真代码编写

组一个ping请求包给主机A，其中IP头部的协议类型为8'h01，ICMP头部的type字段为8'h08，code字段为8'h00，表示主动请求。仿真代码如下：

4.3.2 ICMP回显应答仿真结果

如图所示，ip_rx模块接收到ICMP数据报文会将标识符、序列号、校验和等信息拆解出来，并将有效数据存入FIFO。一帧数据接收完成后，将发送ping应答请求信号给ip_tx模块。

请求信号icmp_req_en拉高后，icmp_pkg_tx模块中的icmp_pkg_req信号也拉高，并发送给ip_tx模块，等待ip_tx模块将icmp_pkg_req拉高，表示握手成功，开始发送icmp回显应答数据。ping应答包的type字段为8'h00，code字段为8'h00，表示回显应答，其有效数据和接收到的ping请求包额外数据保持一致。