基于FPGA的以太网设计（四）

1.ARP协议简介

ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，是根据IP地址（逻辑地址）获取MAC地址的一种TCP/IP协议。在以太网通信中，数据是以“帧”的格式进行传输的，帧格式里面包含目的主机的MAC地址。

源主机的应用程序知道目的主机的IP地址，却不知道目的主机的MAC地址。而目的主机的MAC地址直接被网卡接收和解析，当解析到目的MAC地址非本地MAC地址时，则直接丢弃该包数据，因此在通信前需要先获得目的MAC地址，而ARP协议正是实现了此功能。

ARP协议的基本功能是通过目的主机IP地址，获取目的主机的MAC地址，以保证通信的顺利进行。MAC地址在网络中表示网卡的ID，每个网卡都需要并有且仅有一个MAC地址。在获取到目的MAC地址之后，将目的MAC地址更新至ARP缓存表中，称为ARP映射。下次通信时，可以直接从ARP缓存表中获取，而不用重新通过ARP获取MAC地址。但一般ARP缓存表会有过期时间，过期后需要重新通过ARP协议进行获取。

ARP映射是指将IP地址和MAC地址映射起来，分为静态映射和动态映射。

ARP工作流程如下:

假设主机A和B在同一个网段，主机A要向主机B发送信息，具体的地址解析过程如下：

(1) 主机A首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机B。

(2) 如果主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。

ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为主机A的IP地址和MAC地址，目标IP地址和目标MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。

由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。

(3) 主机B比较自己IP地址和ARP请求报文中的 目标IP 地址，当两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。

之后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MAC地址。

(4) 主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。

2.ARP协议实现

2.1接收部分：

接收部分采用一个状态机来实现，其状态转换图如下所示：

开始状态机处于IDLE状态，当检测到第一个8’h55的时候进入PREAMBLE状态，即接收前导码和SFD，与此同时我们对接收数据进行计数，当计数器计数到6时检测此时接收的数据是不是8’hd5，如果是进入接收帧头状态；否则，进入接收终止状态。接收帧头状态的跳转也和PREAEBLE状态的跳转情况差不多，只不过此时需要检测接受到的以太网类型，而以太网类型是两字节，因此需要先接收高位，再进行对比。ARP_DATA状态的跳转则需要检测接受到的目的ip地址与开发板的ip地址是否相同并且还要检测操作码是否有效。当接收完单包数据后下一个时钟周期跳转到IDLE状态。

整体的实现还是比较简单的，利用一个状态机就能完成，但是需要对以太网帧格式比较熟悉。具体实现代码如下：

`timescale 1ns / 1psmodule ARP_RX#(parameter   BOARD_MAC   =   48'h00_11_22_33_44_55       ,   //开发板MAC地址parameter   BOARD_IP    =   {8'd192,8'd168,8'd1,8'd10}      //开发板IP地址
)(//systeminput                       clk                         ,   //系统时钟input                       rst_n                       ,   //系统复位//inputinput                       gmii_rx_dv                  ,   //接收数据有效信号input           [7:0]       gmii_rxd                    ,   //接收数据//outputoutput      reg             arp_rx_done                 ,   //ARP接收完成信号output      reg             arp_rx_type                 ,   //ARP接收类型0：请求 1：应答output      reg [47:0]      src_mac                     ,   //输出接收到的源MAC地址output      reg [31:0]      src_ip                          //输出接收到的源IP地址            
);parameter   IDLE      =     5'b0_0001                   ;   //空闲状态parameter   PREAMBLE  =     5'b0_0010                   ;   //接收前导码和SFDparameter   ETH_HEAD  =     5'b0_0100                   ;   //帧头parameter   ARP_DATA  =     5'b0_1000                   ;   //接收ARP数据parameter   RX_DONE   =     5'b1_0000                   ;   //接收CRC校验数据parameter   ETH_TPYE  =     16'h0806                    ;   //以太网帧类型reg                         state_en                    ;   //状态跳转使能信号reg             [4:0]       cur_state                   ;   //现态reg             [4:0]       next_state                  ;   //次态reg                         error_flag                  ;   //错误指示信号reg             [47:0]      des_mac_t                   ;   //目的MAC地址reg             [31:0]      des_ip_t                    ;   //目的ip地址reg             [47:0]      src_mac_t                   ;   //源MAC地址reg             [31:0]      src_ip_t                    ;   //源ip地址reg             [4:0]       cnt                         ;   //解析数据计数器reg             [15:0]      eth_type                    ;   //以太网类型reg             [15:0]      op_data                     ;   //操作码//三段式状态机第一段always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cur_state <= IDLE;else cur_state <= next_state;end//三段式状态机第二段always @(*) beginnext_state = IDLE;casex (cur_state)IDLE:beginif(state_en)next_state = PREAMBLE;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = IDLE;end PREAMBLE:beginif(state_en)next_state = ETH_HEAD;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = PREAMBLE;endETH_HEAD:beginif(state_en)next_state = ARP_DATA;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = ETH_HEAD; endARP_DATA:beginif(state_en)next_state = RX_DONE;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = ARP_DATA;endRX_DONE:beginif(state_en)next_state = IDLE;elsenext_state = RX_DONE;enddefault: next_state = IDLE;endcaseend//三段式状态机第三段always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)beginstate_en <= 1'b0;cnt <= 6'd0;error_flag <= 1'b0;des_mac_t <= 48'd0;des_ip_t <= 32'd0;src_mac_t <= 48'd0;src_ip_t <= 32'd0;        eth_type <= 16'd0;op_data <= 16'd0;arp_rx_done <= 1'b0;arp_rx_type <= 1'b0;src_mac <= 48'd0;src_ip <= 32'd0;endelse beginstate_en <= 1'b0;arp_rx_done <= 1'b0;error_flag <= 1'b0;case (next_state)IDLE:begin//接收到第一个8'h55if((gmii_rx_dv == 1'b1) && (gmii_rxd == 8'h55))state_en <= 1'b1;else;end PREAMBLE:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if((cnt < 5'd6) && (gmii_rxd !=8'h55))error_flag <= 1'b1;else if(cnt == 5'd6)begincnt <= 5'd0;if(gmii_rxd == 8'hd5)state_en <= 1'b1;elseerror_flag <= 1'b1; endendelse;endETH_HEAD:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if(cnt < 5'd6)des_mac_t <= {des_mac_t[39:0],gmii_rxd};//接收源MAC地址else if(cnt == 5'd6)beginif((des_mac_t != BOARD_MAC) && (des_mac_t != 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff))error_flag <= 1'b1;else;endelse if(cnt == 5'd12)eth_type[15:8] <= gmii_rxd;else if(cnt == 5'd13)begincnt <= 5'd0;eth_type[7:0] <= gmii_rxd;if(eth_type[15:8] == ETH_TPYE[15:8] && gmii_rxd == ETH_TPYE[7:0])state_en <= 1'b1;elseerror_flag <= 1'b1;end                            else;endelse;endARP_DATA:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if(cnt == 5'd6)op_data[15:8] <= gmii_rxd;else if(cnt == 5'd7)op_data[7:0] <= gmii_rxd;//操作码else if(cnt >= 5'd8 && cnt < 5'd14)src_mac_t <= {src_mac_t[39:0],gmii_rxd};//源MAC地址else if(cnt >= 5'd14 && cnt < 5'd18)src_ip_t <= {src_ip_t[23:0],gmii_rxd};//源ip地址else if(cnt >= 5'd24 && cnt < 5'd28)des_ip_t <= {des_ip_t[23:0],gmii_rxd};//目的ip地址else if(cnt == 5'd28)begincnt <= 5'd0; if(des_ip_t == BOARD_IP)begin//判断目的ip地址和操作码if((op_data == 16'd1) || (op_data == 16'd2))beginstate_en <= 1'b1;arp_rx_done <= 1'b1;src_ip <= src_ip_t;src_mac <= src_mac_t;src_mac_t <= 48'd0;src_ip_t <= 32'd0;des_ip_t <= 32'd0;des_mac_t <= 48'd0;if(op_data == 16'd1)arp_rx_type <= 1'b0;//ARP请求else arp_rx_type <= 1'b1;//ARP应答endelse error_flag <= 1'b1; end                       else error_flag <= 1'b1;endendendRX_DONE:begincnt <= 5'd0;//单包数据接收完成if(gmii_rx_dv && state_en)state_en <= 1'b1;else;enddefault: ;endcaseendend
endmodule

2.2发送部分：

发送部分也可以采用一个状态机来完成，状态转换图如下所示：

发送部分的状态转换比接收部分的状态转换还简单一些，我们需要定义一个计数器，每个时钟的上升沿发送一字节数据并且计数器加1，即可很容易的控制状态机的状态转换，需要注意的是，进入ARP_DATA状态之后，我们将cnt计数器的值清零，并引入一个新的计数器用来计数前28字节数据。之所以这样是因为ARP_DATA状态我们总共需要发送46字节数据，而这里面的前28字节数据为ARP数据段，后18字节为填充段，为了将二者分开因此再定义一个计数器对ARP数据段进行计数。

发送部分的具体实现代码如下所示：

`timescale 1ns / 1psmodule ARP_TX(//systeminput                           clk                         ,   //系统时钟input                           rst_n                       ,   //系统复位//input             input                           arp_tx_en                   ,   //ARP发送使能信号input                           arp_tx_type                 ,   //ARP发送类型0：请求 1：应答input               [31:0]      des_ip                      ,   //目的ip地址input               [47:0]      des_mac                     ,   //目的MAC地址input               [31:0]      crc_data                    ,   //CRC校验数据input               [7:0]       crc_next                    ,   //CRC下次校验数据//output                output          reg             tx_done                     ,   //发送完成信号output          reg             gmii_tx_en                  ,   //GMII发送使能信号output          reg[7:0]        gmii_txd                    ,   //GMII发送数据output          reg             crc_en                      ,   //CRC校验使能信号output          reg             crc_clr                         //CRC清零系信号                                   
);parameter   DES_IP        =     {8'd192,8'd168,8'd1,8'd102} ;   //目的ip地址即PC端ip地址parameter   DES_MAC       =     48'hff_ff_ff_ff_ff_ff       ;   //目的MAC地址parameter   BOARD_IP      =     {8'd192,8'd168,8'd1,8'd10}  ;   //开发板ip地址parameter   BOARD_MAC     =     48'h00_11_22_33_44_55       ;   //开发板MAC地址，用户可自行设置parameter   ETH_TPYE      =     16'h0806                    ;   //以太网帧类型 ARPparameter   HD_TYPE       =     16'h0001                    ;   //硬件协议类型parameter   PROTOCOL_TYPE =     16'h0800                    ;   //上层协议类型为ip协议localparam  IDLE          =     5'b0_0001                   ;   //空闲状态localparam  PREAMBLE      =     5'b0_0010                   ;   //发送前导码+SFDlocalparam  ETH_HEAD      =     5'b0_0100                   ;   //发送帧头localparam  ARP_DATA      =     5'b0_1000                   ;   //发送ARP数据localparam  CRC           =     5'b1_0000                   ;   //发送CRC校验数据localparam  MIN_DATA_NUM  =     6'd46                       ;   //最小计数值，不满则填充数据//reg typereg                             arp_tx_en_r0                ;   //对ARP发送使能信号打拍以检测上升沿reg                             arp_tx_en_r1                ;   reg                             arp_tx_en_r2                ;   reg                 [4:0]       cur_state                   ;   //现态reg                 [4:0]       next_state                  ;   //次态reg                             state_en                    ;   //状态转移使能信号reg                 [5:0]       cnt                         ;reg                 [4:0]       data_cnt                    ;   //发送数据计数器reg                             tx_done_t                   ;   //发送完成信号暂存reg                 [7:0]       preamble    [7:0]           ;   //前导码+SFDreg                 [7:0]       eth_head    [13:0]          ;   //帧头reg                 [7:0]       arp_data    [27:0]          ;   //ARP数据//wire typewire                            posedge_arp_tx_en             ;   //ARP发送使能信号上升沿assign posedge_arp_tx_en =  ~arp_tx_en_r2 && arp_tx_en_r1   ;//对使能信号打拍以检测上升沿always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)beginarp_tx_en_r0 <= 1'b0;arp_tx_en_r1 <= 1'b0;arp_tx_en_r2 <= 1'b0;endelse beginarp_tx_en_r0 <= arp_tx_en;arp_tx_en_r1 <= arp_tx_en_r0;arp_tx_en_r2 <= arp_tx_en_r1;endend//三段式状态机第一段，状态转移always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cur_state <= IDLE;elsecur_state <= next_state;end//三段式状态机第二段always @(*) beginnext_state = IDLE;case (cur_state)IDLE:beginif(state_en)next_state = PREAMBLE;elsenext_state = IDLE;end PREAMBLE:beginif(state_en)next_state = ETH_HEAD;elsenext_state = PREAMBLE; endETH_HEAD:beginif(state_en)next_state = ARP_DATA;elsenext_state = ETH_HEAD; endARP_DATA:beginif(state_en)next_state = CRC;elsenext_state = ARP_DATA; endCRC:beginif(state_en)next_state = IDLE;elsenext_state = CRC; enddefault:next_state = IDLE;endcaseend//三段式状态机第三段，判读数据输出结果always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begintx_done_t <= 1'b0;state_en <= 1'b0;cnt <= 6'd0;gmii_tx_en <= 1'b0;gmii_txd <= 7'd0;data_cnt <= 5'd0;crc_en <= 1'b0;//前导码preamble[0] <= 8'h55;preamble[1] <= 8'h55;preamble[2] <= 8'h55;preamble[3] <= 8'h55;preamble[4] <= 8'h55;preamble[5] <= 8'h55;preamble[6] <= 8'h55;//SFDpreamble[7] <= 8'hd5;//帧头eth_head[0] <= DES_MAC[47:40];//目的MAC地址eth_head[1] <= DES_MAC[39:32];eth_head[2] <= DES_MAC[31:24];eth_head[3] <= DES_MAC[23:16];eth_head[4] <= DES_MAC[15:8];eth_head[5] <= DES_MAC[7:0];eth_head[6] <= BOARD_MAC[47:40];//开发板MAC地址eth_head[7] <= BOARD_MAC[39:32];eth_head[8] <= BOARD_MAC[31:24];eth_head[9] <= BOARD_MAC[23:16];eth_head[10] <= BOARD_MAC[15:8];eth_head[11] <= BOARD_MAC[7:0];eth_head[12] <= ETH_TPYE[15:8];//以太网帧类型eth_head[13] <= ETH_TPYE[7:0];//ARP数据arp_data[0] <= HD_TYPE[15:8];//硬件类型arp_data[1] <= HD_TYPE[7:0];arp_data[2] <= PROTOCOL_TYPE[15:8];//上层协议类型arp_data[3] <= PROTOCOL_TYPE[7:0];arp_data[4] <= 8'h06;//硬件地址长度arp_data[5] <= 8'h04;//协议地址长度arp_data[6] <= 8'h00;//arp_data[7] <= 8'h01;//OP操作码 01:request 02:ackarp_data[8] <= BOARD_MAC[47:40];    //发送端(源)MAC地址arp_data[9] <= BOARD_MAC[39:32];arp_data[10] <= BOARD_MAC[31:24];arp_data[11] <= BOARD_MAC[23:16];arp_data[12] <= BOARD_MAC[15:8];arp_data[13] <= BOARD_MAC[7:0];arp_data[14] <= BOARD_IP[31:24];    //发送端(源)IP地址arp_data[15] <= BOARD_IP[23:16];arp_data[16] <= BOARD_IP[15:8];arp_data[17] <= BOARD_IP[7:0];arp_data[18] <= DES_MAC[47:40];     //接收端(目的)MAC地址arp_data[19] <= DES_MAC[39:32];arp_data[20] <= DES_MAC[31:24];arp_data[21] <= DES_MAC[23:16];arp_data[22] <= DES_MAC[15:8];arp_data[23] <= DES_MAC[7:0];  arp_data[24] <= DES_IP[31:24];      //接收端(目的)IP地址arp_data[25] <= DES_IP[23:16];arp_data[26] <= DES_IP[15:8];arp_data[27] <= DES_IP[7:0];endelse beginstate_en <= 1'b0;crc_en <= 1'b0;tx_done_t <= 1'b0;gmii_tx_en <= 1'b0;case (next_state)IDLE:beginif(posedge_arp_tx_en)beginstate_en <= 1'b1;if((des_ip != 32'd0) || (des_mac != 48'd0))begineth_head[0] <= des_mac[47:40];eth_head[1] <= des_mac[39:32];eth_head[2] <= des_mac[31:24];eth_head[3] <= des_mac[23:16];eth_head[4] <= des_mac[15:8];eth_head[5] <= des_mac[7:0];                            arp_data[18] <= des_mac[47:40];arp_data[19] <= des_mac[39:32];arp_data[20] <= des_mac[31:24];arp_data[21] <= des_mac[23:16];arp_data[22] <= des_mac[15:8];arp_data[23] <= des_mac[7:0];  arp_data[24] <= des_ip[31:24]; arp_data[25] <= des_ip[23:16];arp_data[26] <= des_ip[15:8];arp_data[27] <= des_ip[7:0];end else;if(arp_tx_type == 1'b0)arp_data[7] <= 8'h01;elsearp_data[7] <= 8'h02;endelse;endPREAMBLE:begin//进入PREAMBLE状态之后拉高gmii_tx_en信号表示开始发送数据，并且每次时钟周期发送8位数据总共发送7个8'h55和一个8'hd5gmii_tx_en <= 1'b1;gmii_txd <= preamble[cnt];if(cnt == 6'd7)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;endelsecnt <= cnt + 1'b1;endETH_HEAD:begin//发送帧头                    gmii_tx_en <= 1'b1;crc_en <= 1'b1;gmii_txd <= eth_head[cnt];  if(cnt == 6'd13)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;end             elsecnt <= cnt + 1'b1; endARP_DATA:begingmii_tx_en <= 1'b1;crc_en <= 1'b1;if(cnt == MIN_DATA_NUM - 1'b1)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;data_cnt <= 5'd0;endelsecnt <= cnt + 1'b1;if(data_cnt <= 5'd27)begindata_cnt <= data_cnt + 1'b1;gmii_txd <= arp_data[data_cnt];endelsegmii_txd <= 8'd0;//填充endCRC:begin//发送CRC校验值gmii_tx_en <= 1'b1;cnt <= cnt + 1'b1;if(cnt == 6'd0)gmii_txd <= {~crc_next[0], ~crc_next[1], ~crc_next[2],~crc_next[3],~crc_next[4], ~crc_next[5], ~crc_next[6],~crc_next[7]};else if(cnt == 6'd1)gmii_txd <= {~crc_data[16], ~crc_data[17], ~crc_data[18],~crc_data[19], ~crc_data[20], ~crc_data[21], ~crc_data[22],~crc_data[23]};else if(cnt == 6'd2) begingmii_txd <= {~crc_data[8], ~crc_data[9], ~crc_data[10],~crc_data[11],~crc_data[12], ~crc_data[13], ~crc_data[14],~crc_data[15]};                              endelse if(cnt == 6'd3) begingmii_txd <= {~crc_data[0], ~crc_data[1], ~crc_data[2],~crc_data[3],~crc_data[4], ~crc_data[5], ~crc_data[6],~crc_data[7]};  tx_done_t <= 1'b1;state_en <= 1'b1;cnt <= 1'b0;end   else;enddefault:;endcaseendend//发送ARP发送完成信号和CRC复位信号always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begintx_done <= 1'b0;crc_clr <= 1'b0;endelse begintx_done <= tx_done_t;crc_clr <= tx_done_t;endendendmodule

仿真结果如下所示：

发送部分