[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

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：

`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

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：

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

复制代码

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。

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