[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] UDP通信篇连载-05 ARP层程序设计

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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3.4 ARP层

该层具有接收ARP请求、发送ARP回复，和发送ARP请求、接收ARP回复的功能，并将接收到的对端的地址信息存入cache中。

3.4.1 ARP接收模块

该模块通过计数器接收28字节ARP信息字段。信息接收完成后，通过接收到的操作码判断接收到的数据包是ARP请求包还是ARP应答包。如果是应答包，将接收到的地址信息写入cache中；如果是请求包，判断目的IP地址与本地IP地址是否一致，若一致，将地址信息写入cache中，且发送至uiarp_rx模块，若不一致，则过滤该包。

1. if(OPER == ARP_REQUEST) begin//如果是ARP请求 ARP_REQUEST = 16'h0001（16’h01 ARP请求包 ； 16’h02 ARP应答）
   
2.                     if(TPA == I_ip_local_addr) begin        //比较接收到的ARP包里面的IP地址是否和本地IP地址一致
   
3.                         O_arp_req_ip_addr       <=  SPA;    //发送IP(远端源IP地址)
   
4.                         O_arp_req_mac_addr      <=  SHA;    //发送方MAC(远端源地址MAC)
   
5.                         O_arp_req_valid         <=  1'b1;   //设置ARP请求有效(通知发送ARP发送模块发送一个ARP应答给远端主机),保存远端主机的IP地址和MAC地址到cache
   
6.                         O_arp_reply_done        <=  1'b0;
   
7.                     end
   
8.                     else begin  
   
9.                         O_arp_req_ip_addr       <=  32'd0;
   
10.                         O_arp_req_mac_addr      <=  48'd0;
    
11.                         O_arp_req_valid         <=  1'b0;
    
12.                         O_arp_reply_done        <=  1'b0;
    
13.                     end
    
14.                 end

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3.4.2 ARP发送模块

该模块对ARP应答和ARP请求同时进行处理，首先对这两种逻辑进行仲裁，以避免发送冲突。如果既没有ARP应答也没有ARP请求，且内部ARP包发送逻辑非忙，则处理缓存的有效信号；如果只有ARP应答，没有ARP请求，且发送逻辑非忙，则请求发送ARP应答包，若发送逻辑忙，则将发送ARP应答包的请求缓存至reply_buffer_valid中，等待非忙时发出；如果只有ARP请求，没有ARP应答，且发送逻辑非忙，则请求发送ARP请求包，若发送逻辑忙，则将发送ARP请求包的请求缓存至request_buffer_valid中，等待非忙时发出；若ARP应答和ARP请求同时为高，则优先发送ARP请求，缓存ARP应答。

1. case({I_arp_treq_en, I_arp_rreply_en})//本状态机实现了即便是同时有ARP应答或者ARP请求，都能确保完成发送
   
2.             2'b00:begin
   
3.                 if((!O_arp_treq) && (!O_arp_tvalid)) begin//没有arp_treq请求，并且arp_tvalid为0 代表没有要发送的ARP数据
   
4.                     if(request_buffer_valid) begin//如果有未发送完的ARP请求，则继续发送
   
5.                         OPER                    <=  ARP_REQUEST;
   
6.                         TPA                     <=  ip_request_buffer;
   
7.                         THA                     <=  48'd0;
   
8.                         request_buffer_valid    <=  1'b0;//清除request_buffer_valid
   
9.                         O_arp_treq              <=  1'b1;
   
10.                     end
    
11.                     else if(reply_buffer_valid) begin//如果有未发送完的ARP应答，则继续发送
    
12.                         OPER                    <=  ARP_REPLY;
    
13.                         TPA                     <=  ip_reply_buffer;
    
14.                         THA                     <=  mac_reply_buffer;
    
15.                         reply_buffer_valid      <=  1'b0;//清除request_buffer_valid
    
16.                         O_arp_treq              <=  1'b1;                       
    
17.                     end
    
18.                 end
    
19.             end
    
20.             2'b01:begin//发送ARP应答
    
21.                 if((!O_arp_treq) && (!O_arp_tvalid)) begin
    
22.                     OPER                    <=  ARP_REPLY;
    
23.                     TPA                     <=  I_arp_rreply_ip_addr;
    
24.                     THA                     <=  I_arp_rreply_mac_addr;
    
25.                     O_arp_treq              <=  1'b1;   
    
26.                 end
    
27.                 else begin//需要arp应答
    
28.                     ip_reply_buffer         <=  I_arp_rreply_ip_addr;//寄存目的地址IP
    
29.                     mac_reply_buffer        <=  I_arp_rreply_mac_addr;//寄存目的地址MAC   
    
30.                     reply_buffer_valid      <=  1'b1;//需要发送ARP应答
    
31.                 end
    
32.             end
    
33.             2'b10:begin//发送ARP请求,当ip_arp_tx发送IP包查询MAC没有查询到，执行ARP请求，请求远程主机提供MAC
    
34.                 if((!O_arp_treq) && (!O_arp_tvalid)) begin
    
35.                     OPER                    <=  ARP_REQUEST;
    
36.                     TPA                     <=  I_arp_tip_addr;
    
37.                     THA                     <=  48'd0;
    
38.                     O_arp_treq              <=  1'b1;//ARP 发送               
    
39.                 end
    
40.                 else begin//arp请求包
    
41.                     ip_request_buffer       <=  I_arp_tip_addr;
    
42.                     request_buffer_valid    <=  1'b1;//ARP 请求有效标志
    
43.                 end
    
44.             end
    
45.             2'b11:begin//既有ARP请求，又有ARP应答
    
46.                 if((!O_arp_treq) && (!O_arp_tvalid)) begin
    
47.                     OPER                    <=  ARP_REQUEST;
    
48.                     TPA                     <=  I_arp_tip_addr;
    
49.                     THA                     <=  48'd0;
    
50.                     O_arp_treq              <=  1'b1;//ARP 发送
    
51.                 end
    
52.                 else begin
    
53.                     ip_request_buffer       <=  I_arp_tip_addr;
    
54.                     request_buffer_valid    <=  1'b1;//ARP请求有效
    
55.                 end
    
56.                 ip_reply_buffer         <=  I_arp_rreply_ip_addr;
    
57.                 mac_reply_buffer        <=  I_arp_rreply_mac_addr;
    
58.                 reply_buffer_valid      <=  1'b1;   //ARP应答有效
    
59.             end
    
60.         endcase

复制代码

若O_arp_treq和uiip_arp_tx模块发送的I_arp_tbusy完成握手，则开始发送ARP包，并且通过判断ARP包的类型来确定发送的目的地址。通过计数器cnt发送28字节有效数据，再通过计数器pad_cnt在末尾补18个字节的0，即完成发送，开始等待下一次握手。

1. case(STATE)
   
2.             WAIT_BUFFER_READY:begin
   
3.                 if(O_arp_treq && I_arp_tbusy) begin
   
4.                     O_arp_tdata     <=  HTYPE[15:8];    //硬件类型-以太网类型
   
5.                     O_arp_tvalid    <=  1'b1;           //ARP数据有效
   
6.                     cnt             <=  cnt + 1'b1;     
   
7.                     if(OPER == ARP_REQUEST) begin       //如果是ARP请求
   
8.                         O_arp_tdest_mac_addr    <=  48'hff_ff_ff_ff_ff_ff;  //ARP目的地址为广播地址
   
9.                         O_arp_ttype             <=  1'b1;                   //通知ip_arp_tx ARP类型为ARP请求
   
10.                     end
    
11.                     else begin
    
12.                         O_arp_tdest_mac_addr    <=  THA;
    
13.                         O_arp_ttype             <=  1'b0;       //通知ip_arp_tx ARP类型为ARP应答   
    
14.                     end
    
15.                     O_arp_treq      <=  1'b0;
    
16.                     STATE           <=  SEND_ARP_PACKET;
    
17.                 end
    
18.                 else
    
19.                     STATE           <=  WAIT_BUFFER_READY;
    
20.             end
    
21.             SEND_ARP_PACKET:begin
    
22.                 case(cnt)
    
23.                     1:  begin   O_arp_tdata <=  HTYPE[7:0];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
24.                     2:  begin   O_arp_tdata <=  PTYPE[15:8];                cnt <= cnt + 1'b1;end
    
25.                     3:  begin   O_arp_tdata <=  PTYPE[7:0];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
26.                     4:  begin   O_arp_tdata <=  HLEN;                       cnt <= cnt + 1'b1;end
    
27.                     5:  begin   O_arp_tdata <=  PLEN;                       cnt <= cnt + 1'b1;end
    
28.                     6:  begin   O_arp_tdata <=  OPER[15:8];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
29.                     7:  begin   O_arp_tdata <=  OPER[7:0];                  cnt <= cnt + 1'b1;end
    
30.                     8:  begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[47:40];    cnt <= cnt + 1'b1;end
    
31.                     9:  begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[39:32];    cnt <= cnt + 1'b1;end
    
32.                     10: begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[31:24];    cnt <= cnt + 1'b1;end
    
33.                     11: begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[23:16];    cnt <= cnt + 1'b1;end
    
34.                     12: begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[15:8];     cnt <= cnt + 1'b1;end
    
35.                     13: begin   O_arp_tdata <=  I_mac_local_addr[7:0];      cnt <= cnt + 1'b1;end
    
36.                     14: begin   O_arp_tdata <=  I_ip_local_addr[31:24];     cnt <= cnt + 1'b1;end
    
37.                     15: begin   O_arp_tdata <=  I_ip_local_addr[23:16];     cnt <= cnt + 1'b1;end
    
38.                     16: begin   O_arp_tdata <=  I_ip_local_addr[15:8];      cnt <= cnt + 1'b1;end
    
39.                     17: begin   O_arp_tdata <=  I_ip_local_addr[7:0];       cnt <= cnt + 1'b1;end
    
40.                     18: begin   O_arp_tdata <=  THA[47:40];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
41.                     19: begin   O_arp_tdata <=  THA[39:32];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
42.                     20: begin   O_arp_tdata <=  THA[31:24];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
43.                     21: begin   O_arp_tdata <=  THA[23:16];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
44.                     22: begin   O_arp_tdata <=  THA[15:8];                  cnt <= cnt + 1'b1;end
    
45.                     23: begin   O_arp_tdata <=  THA[7:0];                   cnt <= cnt + 1'b1;end
    
46.                     24: begin   O_arp_tdata <=  TPA[31:24];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
47.                     25: begin   O_arp_tdata <=  TPA[23:16];                 cnt <= cnt + 1'b1;end
    
48.                     26: begin   O_arp_tdata <=  TPA[15:8];                  cnt <= cnt + 1'b1;end
    
49.                     27: begin   O_arp_tdata <=  TPA[7:0];                   cnt <= cnt + 1'b1;end                  
    
50.                     28: begin
    
51.                         O_arp_tdata <=  8'd0;
    
52.                         if(pad_cnt == 5'd17) begin  //通过在末尾添加0以确保数据长度为46
    
53.                             cnt     <=  cnt + 1'b1;
    
54.                             pad_cnt <=  5'd0;
    
55.                         end
    
56.                         else begin
    
57.                             cnt     <=  cnt;
    
58.                             pad_cnt <=  pad_cnt + 1'b1;
    
59.                         end
    
60.                     end
    
61.                     29: begin
    
62.                         O_arp_tdata     <=  8'd0;
    
63.                         O_arp_tvalid    <=  1'b0;
    
64.                         O_arp_tdest_mac_addr    <=  48'd0;
    
65.                         O_arp_ttype     <=  1'b0;
    
66.                         cnt             <=  5'd0;
    
67.                         STATE           <=  WAIT_BUFFER_READY;
    
68.                     end
    
69.                     default:begin
    
70.                         O_arp_tdata     <=  8'd0;
    
71.                         O_arp_tvalid    <=  1'b0;
    
72.                         cnt             <=  5'd0;
    
73.                         STATE           <=  WAIT_BUFFER_READY;
    
74.                     end
    
75.                 endcase
    
76.             end
    
77.         endcase
    
78.     end
    
79. end

复制代码

3.4.3 CACHE模块

mac_cache模块相当于一个RAM，通过IP作为地址，写入或读出MAC地址。写入mac_cache模块的地址信息远程主机发送的ARP应答包或ARP请求包中的地址，在IP层发送UDP数据报文时，需要在mac_cache中读出和IP地址对应的MAC地址。

1. `timescale 1ns/1ps
   
2. module  mac_cache
   
3. (
   
4.     input   wire                I_wclk,
   
5.     input   wire                I_reset,
   
6.     input   wire                I_wen,
   
7.     input   wire    [31:0]      I_wip_addr,
   
8.     input   wire    [47:0]      I_wmac_addr,
   
9. 
   
10.     input   wire                I_rclk,
    
11.     input   wire                I_ren,
    
12.     input   wire    [31:0]      I_rip_addr,
    
13.     output  reg     [47:0]      O_rmac_addr,
    
14.     output  reg                 O_rmac_done
    
15. );
    
16. reg             mac_cache_flag      [0:3];
    
17. reg     [31:0]  ip_address_cache    [0:3];
    
18. reg     [47:0]  mac_address_cache   [0:3];
    
19. reg     [1:0]   index;
    
20. 
    
21. always@(posedge I_wclk or posedge I_reset) begin
    
22.     if(I_reset) begin
    
23.         mac_cache_flag[0]       <=  1'b0;
    
24.         ip_address_cache[0]     <=  32'd0;
    
25.         mac_address_cache[0]    <=  48'd0;
    
26.         mac_cache_flag[1]       <=  1'b0;
    
27.         ip_address_cache[1]     <=  32'd0;
    
28.         mac_address_cache[1]    <=  48'd0;
    
29.         mac_cache_flag[2]       <=  1'b0;
    
30.         ip_address_cache[2]     <=  32'd0;
    
31.         mac_address_cache[2]    <=  48'd0;
    
32.         mac_cache_flag[3]       <=  1'b0;
    
33.         ip_address_cache[3]     <=  32'd0;
    
34.         mac_address_cache[3]    <=  48'd0;
    
35.         index                   <=  2'd0;
    
36.     end
    
37.     else begin
    
38.         if(I_wen) begin
    
39.             if(mac_cache_flag[0] && ip_address_cache[0] == I_wip_addr)
    
40.                 mac_address_cache[0]        <=  I_wmac_addr;
    
41.             else if(mac_cache_flag[1] && ip_address_cache[1] == I_wip_addr)
    
42.                 mac_address_cache[1]        <=  I_wmac_addr;
    
43.             else if(mac_cache_flag[2] && ip_address_cache[2] == I_wip_addr)
    
44.                 mac_address_cache[2]        <=  I_wmac_addr;
    
45.             else if(mac_cache_flag[3] && ip_address_cache[3] == I_wip_addr)
    
46.                 mac_address_cache[3]        <=  I_wmac_addr;
    
47.             else begin
    
48.                 mac_cache_flag[index]       <=  1'b1;
    
49.                 ip_address_cache[index]     <=  I_wip_addr;
    
50.                 mac_address_cache[index]    <=  I_wmac_addr;
    
51.                 index                       <=  index + 1'b1;
    
52.             end
    
53.         end
    
54.         else begin
    
55.             mac_cache_flag[0]       <=  mac_cache_flag[0];
    
56.             ip_address_cache[0]     <=  ip_address_cache[0];        
    
57.             mac_address_cache[0]    <=  mac_address_cache[0];   
    
58.             mac_cache_flag[1]       <=  mac_cache_flag[1];      
    
59.             ip_address_cache[1]     <=  ip_address_cache[1];   
    
60.             mac_address_cache[1]    <=  mac_address_cache[1];   
    
61.             mac_cache_flag[2]       <=  mac_cache_flag[2];      
    
62.             ip_address_cache[2]     <=  ip_address_cache[2];        
    
63.             mac_address_cache[2]    <=  mac_address_cache[2];   
    
64.             mac_cache_flag[3]       <=  mac_cache_flag[3];      
    
65.             ip_address_cache[3]     <=  ip_address_cache[3];        
    
66.             mac_address_cache[3]    <=  mac_address_cache[3];   
    
67.         end
    
68.     end
    
69. end
    
70. 
    
71. always@(posedge I_rclk or posedge I_reset) begin
    
72.     if(I_reset) begin
    
73.         O_rmac_addr     <=  48'd0;
    
74.         O_rmac_done     <=  1'b0;
    
75.     end
    
76.     else begin
    
77.         if(I_ren) begin
    
78.             O_rmac_done     <=  1'b1;
    
79.             if(mac_cache_flag[0] && I_rip_addr == ip_address_cache[0])
    
80.                 O_rmac_addr <=  mac_address_cache[0];
    
81.             else if(mac_cache_flag[1] && I_rip_addr == ip_address_cache[1])
    
82.                 O_rmac_addr <=  mac_address_cache[1];
    
83.             else if(mac_cache_flag[2] && I_rip_addr == ip_address_cache[2])
    
84.                 O_rmac_addr <=  mac_address_cache[2];
    
85.             else if(mac_cache_flag[3] && I_rip_addr == ip_address_cache[3])
    
86.                 O_rmac_addr <=  mac_address_cache[3];
    
87.             else
    
88.                 O_rmac_addr <=  48'd0;
    
89.         end
    
90.         else begin
    
91.             O_rmac_addr <=  O_rmac_addr;
    
92.             O_rmac_done <=  1'b0;
    
93.         end
    
94.     end
    
95. end
    
96. endmodule

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