fpga的以太网的数据传输系统(附件)【字数：9094】
摘 要随着以太网技术的快速发展，FPGA的兴起，人们在数据传输上的要求也越来越高，因此，本课题设计了一种基于FPGA的以太网的数据传输系统的方案。经过了对MAC层通信机制、UDP通信协议和PHY的理解与学习，同时通过对FPGA芯片的了解，采用了基于PHY芯片和FPGA芯片相结合设计方案。该方案实现了FPGA芯片和PC机之间进行百兆以太网数据通信，PHY完成对物理层数据的处理，FPGA完成对MAC层数据的处理，这也是本系统方案最核心的部分。数据在UDP协议下通过网线发送给PC，通过开发板上的芯片、串口及总线之间多次数据的传输测试，证明了该设计方案传输速率高、运行稳定以及误码率低，同时该方案也具有可编程、可裁剪及易扩散等优点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外发展状况 1
第二章 系统方案设计 3
2.1系统总体结构设计 3
2.2以太网的工作原理 3
2.3UDP协议 4
2.3.1UDP协议的报头格式 4
2.3.2IP数据包首部 5
2.4系统层MAC接口设计 6
2.5芯片的选取 6
2.5.1物理层芯片的选取 6
2.5.2FPGA芯片的选择 6
第三章 硬件设计 8
3.1硬件设计 8
3.2以太网控制器模块的设计 9
3.3以太网数据传输电路设计 10
第四章 软件设计 12
4.1软件设计流程 12
4.2各模块程序的编写 12
4.2.1配置模块 12
4.2.2数据传输模块 13
4.2.3数据接收模块 13
第五章 试验和总结 14
5.1准备工作 14
5.2以太网传输测试 15
5.3总结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 22
附录A硬件连接图 22
附录B源程序代码 23
第一章 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
绪论
1.1课题研究的背景及意义
以太网技术自Xerox公司于1973年提出以来，至今已有四十四多年的历史，以太网技术开始时只能达到2.94Mbp的速率。直到二十世纪八十年代，以太网成为开始普遍应用于网络技术，采用的是碰撞检测的载波侦听多路访问介质[1]访问控制机制。经过时代的发展，以太网技术因为其结构简单、价格低廉、管理方便和可平滑升级等优点，经受住了各种来自其它局域网的冲击和挑战，包括：令牌总线、25MATM、FDDI等等。很快以太网成为了世界上应用最广泛、最为常见的网络技术，而且主要应用于世界各地的局域网和企业骨干网当中。与此同时，随着以太网技术的快速发展，其应用范围已经不单单只是局限于局域网等一些小型的网络当中。目前主流的以太网技术已经达到几百兆，几千兆甚至是1Gbps的快速以太网时代，而且已经被广泛地应用于城域网中，其范围更宽，速度更快。按照这种步伐，以及现代化发展的程度，很快以太网的技术就要上升到10Gbps甚至100Gbps的速率，届时实现更为广泛的广域网中的应用也不是没有可能。
按照 OSI七层网络模型，以太网技术实现的关键就在于数据链路层和物理层的应用，其中数据链路层包括媒体接入控制 MAC层和逻辑链路控制层。与数据传输媒体有关的部分主要包含于控制MAC 层中，而在实际的应用工程当中，逻辑链路控制层一般会被省略。对于物理层上不同的传输媒介，只需要对MAC层做出很小的改动即可，因此理解了这些，就知道想要学好以太网技术最主要的就是对 MAC层协议的理解。
近些年，随着集成工艺的快速发展，集成度越来越高，一样面积的板子可以集成更多的元器件，与此同时这也使得设计制造ASIC产品需要更长的时间以及更高的成本。而制约集成电路高速发展的主要因素恰恰是ASIC产品高昂的掩膜成本，和繁琐的制作流程。也是ASIC行业的瓶颈刚好给FPGA的发展提供了非常好的机遇，其产品因为开发周期短、成本低、易于改动，很快就占据了市场上的主流，成为很多中低端产品的首要选择。
综上所述，在基于FPGA硬件平台上实现百兆以太网的数据传输系统，并将其使用到以太网的实际项目当中去，这对以太网技术的发展，以及FPGA这个平台的应用有着非常重要的实际意义。
1.2 国内外发展状况
近些年来，以太网技术发展速度的不断提高，从最初的2.94兆、10兆、百兆到千兆乃至更高，其发展的速度早已经超越了“摩尔定律[2]”预测的速度。因此在基于FPGA硬件平台上的以太网的数据传输系统的研究上面，不仅是国外，包括国内的许多机构也都取得了很不错的成果。
在国内，例如南京信息工程大学、西安电子科技大学以及电子科技大学能源科学与工程学院等，他们在基于FPGA的以太网数据传输方面都已经取得了不俗的成果，而且还在往更高速率上的研究进行探索。目前国内更多设计方案是利用PC机作为平台，连接FPGA等芯片去进行数据的传输并实时进行监测，利用UDP通信协议。
在国外，Xilinx公司、Treck公司Altera公司等在FPGA通信协议上面以及以太网协议栈上面都取得了有效的成果，但在某些方面也都会存在些缺陷不足的地方，比如成本太高；因此在自行开发协议栈、MAC、UDP协议以及接口应用等都将是严峻的考验。
1.3 本文的内容及安排
本文主要通过对以太网的MAC结构、数据传输过程中接口的配置以及其传输的数据帧结构等方面进行了分析，在基于Xilinx公司的FPGA硬件开发平台上，结合ISE（集成软件开发环境的英文简称）软件开发环境，实现了FPGA芯片和PC机之间进行百兆以太网MAC层数据传输交换的功能。本论文的主要安排如下：
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外发展状况 1
第二章 系统方案设计 3
2.1系统总体结构设计 3
2.2以太网的工作原理 3
2.3UDP协议 4
2.3.1UDP协议的报头格式 4
2.3.2IP数据包首部 5
2.4系统层MAC接口设计 6
2.5芯片的选取 6
2.5.1物理层芯片的选取 6
2.5.2FPGA芯片的选择 6
第三章 硬件设计 8
3.1硬件设计 8
3.2以太网控制器模块的设计 9
3.3以太网数据传输电路设计 10
第四章 软件设计 12
4.1软件设计流程 12
4.2各模块程序的编写 12
4.2.1配置模块 12
4.2.2数据传输模块 13
4.2.3数据接收模块 13
第五章 试验和总结 14
5.1准备工作 14
5.2以太网传输测试 15
5.3总结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 22
附录A硬件连接图 22
附录B源程序代码 23
第一章 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
绪论
1.1课题研究的背景及意义
以太网技术自Xerox公司于1973年提出以来，至今已有四十四多年的历史，以太网技术开始时只能达到2.94Mbp的速率。直到二十世纪八十年代，以太网成为开始普遍应用于网络技术，采用的是碰撞检测的载波侦听多路访问介质[1]访问控制机制。经过时代的发展，以太网技术因为其结构简单、价格低廉、管理方便和可平滑升级等优点，经受住了各种来自其它局域网的冲击和挑战，包括：令牌总线、25MATM、FDDI等等。很快以太网成为了世界上应用最广泛、最为常见的网络技术，而且主要应用于世界各地的局域网和企业骨干网当中。与此同时，随着以太网技术的快速发展，其应用范围已经不单单只是局限于局域网等一些小型的网络当中。目前主流的以太网技术已经达到几百兆，几千兆甚至是1Gbps的快速以太网时代，而且已经被广泛地应用于城域网中，其范围更宽，速度更快。按照这种步伐，以及现代化发展的程度，很快以太网的技术就要上升到10Gbps甚至100Gbps的速率，届时实现更为广泛的广域网中的应用也不是没有可能。
按照 OSI七层网络模型，以太网技术实现的关键就在于数据链路层和物理层的应用，其中数据链路层包括媒体接入控制 MAC层和逻辑链路控制层。与数据传输媒体有关的部分主要包含于控制MAC 层中，而在实际的应用工程当中，逻辑链路控制层一般会被省略。对于物理层上不同的传输媒介，只需要对MAC层做出很小的改动即可，因此理解了这些，就知道想要学好以太网技术最主要的就是对 MAC层协议的理解。
近些年，随着集成工艺的快速发展，集成度越来越高，一样面积的板子可以集成更多的元器件，与此同时这也使得设计制造ASIC产品需要更长的时间以及更高的成本。而制约集成电路高速发展的主要因素恰恰是ASIC产品高昂的掩膜成本，和繁琐的制作流程。也是ASIC行业的瓶颈刚好给FPGA的发展提供了非常好的机遇，其产品因为开发周期短、成本低、易于改动，很快就占据了市场上的主流，成为很多中低端产品的首要选择。
综上所述，在基于FPGA硬件平台上实现百兆以太网的数据传输系统，并将其使用到以太网的实际项目当中去，这对以太网技术的发展，以及FPGA这个平台的应用有着非常重要的实际意义。
1.2 国内外发展状况
近些年来，以太网技术发展速度的不断提高，从最初的2.94兆、10兆、百兆到千兆乃至更高，其发展的速度早已经超越了“摩尔定律[2]”预测的速度。因此在基于FPGA硬件平台上的以太网的数据传输系统的研究上面，不仅是国外，包括国内的许多机构也都取得了很不错的成果。
在国内，例如南京信息工程大学、西安电子科技大学以及电子科技大学能源科学与工程学院等，他们在基于FPGA的以太网数据传输方面都已经取得了不俗的成果，而且还在往更高速率上的研究进行探索。目前国内更多设计方案是利用PC机作为平台，连接FPGA等芯片去进行数据的传输并实时进行监测，利用UDP通信协议。
在国外，Xilinx公司、Treck公司Altera公司等在FPGA通信协议上面以及以太网协议栈上面都取得了有效的成果，但在某些方面也都会存在些缺陷不足的地方，比如成本太高；因此在自行开发协议栈、MAC、UDP协议以及接口应用等都将是严峻的考验。
1.3 本文的内容及安排
本文主要通过对以太网的MAC结构、数据传输过程中接口的配置以及其传输的数据帧结构等方面进行了分析，在基于Xilinx公司的FPGA硬件开发平台上，结合ISE（集成软件开发环境的英文简称）软件开发环境，实现了FPGA芯片和PC机之间进行百兆以太网MAC层数据传输交换的功能。本论文的主要安排如下：
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