[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：

1. `timescale 1ns / 1ps
   
2. module sim_top;
   
3. reg         I_reset;
   
4. reg         I_clk;
   
5. wire        b_r_udp_valid;
   
6. wire [7 :0] b_r_udp_data;
   
7. wire [15:0] b_r_udp_data_len;
   
8. wire [15:0] b_r_udp_src_port;
   
9. wire        O_a_ip_rx_error;
   
10. wire        O_a_mac_rx_error;
    
11. wire        O_b_ip_rx_error;
    
12. wire        O_b_mac_rx_error;
    
13. test_udp_loop test_udp_loop_u(
    
14. .I_reset            (I_reset),
    
15. .I_clk              (I_clk),
    
16. 
    
17. .b_r_udp_valid      (b_r_udp_valid),
    
18. .b_r_udp_data       (b_r_udp_data),
    
19. .b_r_udp_data_len   (b_r_udp_data_len),
    
20. .b_r_udp_src_port   (b_r_udp_src_port),
    
21. 
    
22. .O_a_ip_rx_error    (O_a_ip_rx_error),
    
23. .O_a_mac_rx_error   (O_a_mac_rx_error),
    
24. .O_b_ip_rx_error    (O_b_ip_rx_error),
    
25. .O_b_mac_rx_error   (O_b_mac_rx_error)
    
26. );
    
27. initial begin
    
28.     I_clk = 0;
    
29.     I_reset = 1;
    
30.     #2000;
    
31.     I_reset = 0;
    
32. end
    
33. always #4 I_clk <= ~I_clk;     
    
34. endmodule

复制代码

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：

1. `timescale 1ns / 1ps
   
2. 
   
3. module test_udp_loop(
   
4. input  wire        I_reset,
   
5. input  wire        I_clk,
   
6. 
   
7. output wire        b_r_udp_valid,
   
8. output wire [7 :0] b_r_udp_data,
   
9. output wire [15:0] b_r_udp_data_len,
   
10. output wire [15:0] b_r_udp_src_port,
    
11. 
    
12. output wire        O_a_ip_rx_error,
    
13. output wire        O_a_mac_rx_error,
    
14. output wire        O_b_ip_rx_error,
    
15. output wire        O_b_mac_rx_error
    
16. );
    
17. 
    
18. 
    
19. wire        a_w_udp_rdy;
    
20. reg         a_w_udp_req;
    
21. reg         a_w_udp_valid;
    
22. wire [7:0]  a_w_udp_data;
    
23. reg  [15:0] a_w_udp_len;
    
24. reg         a_w_udp_data_read;
    
25. 
    
26. wire        b_w_udp_rdy;
    
27. reg         b_w_udp_req;
    
28. reg         b_w_udp_valid;
    
29. wire [7:0]  b_w_udp_data;
    
30. reg  [15:0] b_w_udp_len;
    
31. reg         b_w_udp_data_read;
    
32. 
    
33. wire        a_r_udp_valid;
    
34. wire [7 :0] a_r_udp_data;
    
35. wire [15:0] a_r_udp_data_len;
    
36. wire [15:0] a_r_udp_src_port;
    
37. 
    
38. reg  [9 :0] test_data;
    
39. reg  [1 :0] STATE;
    
40. 
    
41. parameter  WAIT_UDP_READY = 0;
    
42. parameter  WAIT_UDP_ACK = 1;
    
43. parameter  SEND_DATA = 2;
    
44. 
    
45. always@(posedge I_clk or posedge I_reset)begin
    
46.    if(I_reset) begin
    
47.         a_w_udp_req         <= 1'b0;
    
48.         a_w_udp_valid       <= 1'b0;
    
49.         a_w_udp_len         <= 16'd0;
    
50.         test_data           <= 10'd0;
    
51.         STATE               <= WAIT_UDP_READY;
    
52.         
    
53.     end
    
54.     else begin  
    
55.         case(STATE)
    
56.             WAIT_UDP_READY:begin
    
57.                 if(~a_w_udp_rdy) begin
    
58.                     a_w_udp_req             <= 1'b1;
    
59.                     STATE                   <= WAIT_UDP_ACK;
    
60.                 end
    
61.                 else begin
    
62.                     a_w_udp_req             <= 1'b0;
    
63.                     STATE                   <= WAIT_UDP_READY;
    
64.                 end
    
65.             end
    
66.             WAIT_UDP_ACK:begin
    
67.                 if(a_w_udp_rdy) begin
    
68.                     a_w_udp_len             <= 16'd768;
    
69.                     a_w_udp_valid           <= 1'b1;
    
70.                     a_w_udp_req             <= 1'b0;               
    
71.                     STATE                   <= SEND_DATA;
    
72.                 end
    
73.                 else
    
74.                     STATE <= WAIT_UDP_ACK;
    
75.             end
    
76.             SEND_DATA:begin
    
77.                 if(test_data == 10'd767) begin
    
78.                     a_w_udp_valid           <= 1'b0;
    
79.                     a_w_udp_len             <= 16'd0;
    
80.                     test_data               <= 0;
    
81.                     STATE                   <= WAIT_UDP_READY;
    
82.                 end
    
83.                 else begin
    
84.                     a_w_udp_valid           <= 1'b1;
    
85.                     test_data               <= test_data + 1'b1;
    
86.                     STATE                   <= SEND_DATA;
    
87.                 end
    
88.             end
    
89.         endcase
    
90.     end
    
91. end
    
92. 
    
93. //以下实现A发送,B接收的仿真测试
    
94. wire [7:0]  a_gmii_tdata;
    
95. wire        a_gmii_tvalid;
    
96. wire [7:0]  b_gmii_tdata;
    
97. wire        b_gmii_tvalid;
    
98. 
    
99. assign  a_w_udp_data = test_data[7:0];
    
100. 
     
101. udp_stack #
     
102. (
     
103. .CRC_GEN_EN             (1'b1),
     
104. .INTER_FRAME_GAP        (4'd12)
     
105. )
     
106. A_udp_stack
     
107. (
     
108. .I_uclk                 (I_clk),
     
109. .I_reset                (I_reset),
     
110. 
     
111. .I_mac_local_addr       (48'h0123456789a2),//本地MAC地址   
     
112. .I_udp_local_port       (16'd6002       ), //本地端口号
     
113. .I_ip_local_addr        (32'hc0a88902   ), //本地ip地址
     
114. 
     
115. .I_udp_dest_port        (16'd6001       ), //目的端口
     
116. .I_ip_dest_addr         (32'hc0a88901   ), //目的IP地址
     
117. 
     
118. .O_W_udp_busy           (a_w_udp_rdy),
     
119. .I_W_udp_req            (a_w_udp_req),
     
120. .I_W_udp_valid          (a_w_udp_valid),
     
121. .I_W_udp_data           (a_w_udp_data),
     
122. .I_W_udp_len            (a_w_udp_len),
     
123. 
     
124. .O_R_udp_valid          (),
     
125. .O_R_udp_data           (),
     
126. .O_R_udp_len            (),
     
127. .O_R_udp_src_port       (),
     
128. 
     
129. .I_gmii_rclk            (I_clk),
     
130. .I_gmii_rvalid          (b_gmii_tvalid),
     
131. .I_gmii_rdata           (b_gmii_tdata),
     
132. 
     
133. .I_gmii_tclk            (I_clk),
     
134. .O_gmii_tvalid          (a_gmii_tvalid),
     
135. .O_gmii_tdata           (a_gmii_tdata),
     
136. .O_ip_rerror                (O_a_ip_rx_error),
     
137. .O_mac_rerror           (O_a_mac_rx_error)
     
138. );
     
139. 
     
140. udp_stack #
     
141. (
     
142. .CRC_GEN_EN             (1'b1),
     
143. .INTER_FRAME_GAP        (4'd12)
     
144. )
     
145. B_udp_stack
     
146. (
     
147. .I_uclk                 (I_clk),
     
148. .I_reset                (I_reset),
     
149. 
     
150. .I_mac_local_addr       (48'h0123456789a1),//本地MAC地址   
     
151. .I_udp_local_port       (16'd6001       ), //本地端口号
     
152. .I_ip_local_addr        (32'hc0a88901   ), //本地ip地址
     
153. 
     
154. .I_udp_dest_port        (16'd6002   ), //目的端口
     
155. .I_ip_dest_addr         (32'hc0a88902   ), //目的IP地址
     
156. 
     
157. .O_W_udp_busy           (),
     
158. .I_W_udp_req            (0),
     
159. .I_W_udp_valid          (0),
     
160. .I_W_udp_data           (0),
     
161. .I_W_udp_len            (0),
     
162. 
     
163. .O_R_udp_valid          (b_r_udp_valid),
     
164. .O_R_udp_data           (b_r_udp_data),
     
165. .O_R_udp_len            (b_r_udp_data_len),
     
166. .O_R_udp_src_port       (b_r_udp_src_port),
     
167. 
     
168. .I_gmii_rclk            (I_clk),
     
169. .I_gmii_rvalid          (a_gmii_tvalid),
     
170. .I_gmii_rdata           (a_gmii_tdata),
     
171. 
     
172. .I_gmii_tclk            (I_clk),
     
173. .O_gmii_tvalid          (b_gmii_tvalid),
     
174. .O_gmii_tdata           (b_gmii_tdata),
     
175. .O_ip_rerror                (O_b_ip_rx_error),
     
176. .O_mac_rerror           (O_b_mac_rx_error)
     
177. );
     
178. 
     
179. endmodule

复制代码

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：

1. always@(posedge I_clk or posedge I_reset)begin
   
2.     if(I_reset) begin
   
3.         pause_data      <=      8'd0;
   
4.         pause_vld       <=      1'b0;
   
5.         cnt1            <=      'd0;
   
6.         data_cnt        <=      'd0;
   
7.         STATE2          <=      WAIT_PAUSE_RDY;
   
8.     end
   
9.     else begin
   
10.         case(STATE2)
    
11.             WAIT_PAUSE_RDY:begin
    
12.                 data_cnt    <=  'd0;
    
13.                 if(cnt1 == 16'd5000) begin
    
14.                     cnt1    <=  'd0;
    
15.                     STATE2  <=  SEND_PAUSE_DATA;
    
16.                 end
    
17.                 else begin
    
18.                     cnt1    <=  cnt1 + 1'b1;
    
19.                     STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
    
20.                 end
    
21.             end
    
22.             SEND_PAUSE_DATA:begin
    
23.                 data_cnt    <=  data_cnt + 1'b1;
    
24.                 case(data_cnt)
    
25.                     0   :begin  pause_data  <=  8'h55;  pause_vld   <=  1'b1;end
    
26.                     1   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
27.                     2   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
28.                     3   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
29.                     4   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
30.                     5   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
31.                     6   :begin  pause_data  <=  8'h55;end
    
32.                     7   :begin  pause_data  <=  8'hd5;end
    
33. 
    
34.                     8   :begin  pause_data  <=  8'h01;end
    
35.                     9   :begin  pause_data  <=  8'h80;end
    
36.                     10  :begin  pause_data  <=  8'hc2;end
    
37.                     11  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
    
38.                     12  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
    
39.                     13  :begin  pause_data  <=  8'h01;end//pause广播地址
    
40.                     14  :begin  pause_data  <=  8'h01;end
    
41.                     15  :begin  pause_data  <=  8'h23;end
    
42.                     16  :begin  pause_data  <=  8'h45;end
    
43.                     17  :begin  pause_data  <=  8'h67;end
    
44.                     18  :begin  pause_data  <=  8'h89;end
    
45.                     19  :begin  pause_data  <=  8'ha1;end
    
46. 
    
47.                     20  :begin  pause_data  <=  8'h88;end
    
48.                     21  :begin  pause_data  <=  8'h08;end
    
49. 
    
50.                     22  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
    
51.                     23  :begin  pause_data  <=  8'h01;end
    
52. 
    
53.                     24  :begin  pause_data  <=  8'h00;end
    
54.                     25  :begin  pause_data  <=  8'h7f;end
    
55. 
    
56.                     26  :begin  pause_data  <=  8'hff;end
    
57.                     27  :begin  pause_data  <=  8'hff;end
    
58.                     36  :begin  pause_data  <=  8'h15;end
    
59.                     37  :begin  pause_data  <=  8'hbf;end
    
60.                     38  :begin  pause_data  <=  8'h4b;end
    
61.                     39  :begin  pause_data  <=  8'h6c;end
    
62.                     40  :begin  
    
63.                         pause_data  <=  8'h00;
    
64.                         pause_vld   <=  1'b0;
    
65.                         STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
    
66.                     end
    
67.                     default:pause_data  <=  8'h00;
    
68.                 endcase
    
69.             end
    
70.             default: begin
    
71.                 pause_data      <=      8'd0;
    
72.                 pause_vld       <=      1'b0;
    
73.                 cnt1            <=      'd0;
    
74.                 data_cnt        <=      'd0;
    
75.                 STATE2  <=  WAIT_PAUSE_RDY;
    
76.             end
    
77.         endcase
    
78.     end
    
79. end

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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。

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。