以太网，FPGA就一定能搞定系列之概述篇

本系列博文节选自特权同学的FPGA开发电子书《SF-CY3 FPGA套件开发指南》。

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1概述

如图所示，SF-NET子板围绕CH395芯片，一端通过32PIN的OUTTPIN连接器连接到SF-CY3核心板的FPGA上进行数字通信，另一端通过RJ45水晶头连接器连接到以太网中。CH395是一颗集成了以太网MAC和PHY的专用芯片，功能强大，能够进行10M/100M的以太网传输。在数字端，CH395可以使用简单的SPI或UART接口和其他处理器进行数据交互。CH395的I/O电压使用3.3V，由SF-CY3核心板直接供给；内核电压使用1.8V，需要通过一颗LDO转换得到。此外，CH395还需要外部30MHz的晶体时钟输入，这在图中未示意，大家可以参看电路图。

SF-NET子板套件的全家福如图所示。

11.1功能与原理图介绍...PAGEREF _Toc374704611 \h747

11.1.1主要外设芯片及电路图解析...PAGEREF _Toc374704612 \h747

11.1.2装配示意图...PAGEREF _Toc374704613 \h752

11.2逻辑（Verilog）实例21——基于串口调试助手的CH395基本通信测试...PAGEREF _Toc374704614 \h753

11.2.1概述...PAGEREF _Toc374704615 \h753

11.2.2 FPGA中的互联代码...PAGEREF _Toc374704616 \h753

11.2.3板级环境搭建...PAGEREF _Toc374704617 \h754

11.2.4 PC端串口工具调试...PAGEREF _Toc374704618 \h755

11.2逻辑（Verilog）实例21——基于串口调试助手的CH395基本通信测试...PAGEREF _Toc374704619 \h762

11.2.1概述...PAGEREF _Toc374704620 \h762

11.3基于Qsys的NIOS II实例21——CH395基本通信...PAGEREF _Toc374704621 \h763

11.3.1概述...PAGEREF _Toc374704622 \h763

11.3.2 Qsys硬件工程移植...PAGEREF _Toc374704623 \h764

11.3.3软件设计...PAGEREF _Toc374704624 \h770

11.3.4板级调试...PAGEREF _Toc374704625 \h817

11.4基于Qsys的NIOS II实例22——MACRAW模式ARP请求...PAGEREF _Toc374704626 \h818

11.4.1概述...PAGEREF _Toc374704627 \h818

11.4.2以太网协议概述...PAGEREF _Toc374704628 \h819

11.4.3 CH395应用概述...PAGEREF _Toc374704629 \h821

11.4.4 MACRAW模式介绍...PAGEREF _Toc374704630 \h822

11.4.5 ARP简介...PAGEREF _Toc374704631 \h823

11.4.6软件设计...PAGEREF _Toc374704632 \h825

11.4.7板级调试...PAGEREF _Toc374704633 \h834

11.5基于Qsys的NIOS II实例23——IPRAW模式收发传输实例...PAGEREF _Toc374704634 \h839

11.5.1概述...PAGEREF _Toc374704635 \h839

11.5.2 IPRAW模式介绍...PAGEREF _Toc374704636 \h839

11.5.3 IP协议解析...PAGEREF _Toc374704637 \h840

11.5.4软件设计...PAGEREF _Toc374704638 \h841

11.5.5板级调试...PAGEREF _Toc374704639 \h852

11.6基于Qsys的NIOS II实例24——UDP模式传输实例...PAGEREF _Toc374704640 \h857

11.6.1概述...PAGEREF _Toc374704641 \h857

11.6.2 UDP协议解析...PAGEREF _Toc374704642 \h857

11.6.3 UDP模式介绍...PAGEREF _Toc374704643 \h858

11.6.4 TCP/UDP端口介绍...PAGEREF _Toc374704644 \h858

11.6.5软件设计...PAGEREF _Toc374704645 \h860

11.6.6板级调试...PAGEREF _Toc374704646 \h870

11.6.7基于labview UDP调试助手的板级调试...PAGEREF _Toc374704647 \h874

11.7基于Qsys的NIOS II实例25——TCP客户端模式传输实例...PAGEREF _Toc374704648 \h879

11.7.1概述...PAGEREF _Toc374704649 \h879

11.7.2 TCP协议解析...PAGEREF _Toc374704650 \h879

11.7.3 TCP连接的建立和断开...PAGEREF _Toc374704651 \h881

11.7.4 TCP客户端模式介绍...PAGEREF _Toc374704652 \h883

11.7.5软件设计...PAGEREF _Toc374704653 \h884

11.7.6板级调试...PAGEREF _Toc374704654 \h885

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2模块电路介绍

CH395是以太网协议栈管理芯片，用于单片机系统进行以太网通讯。

CH395芯片自带10/100M以太网介质传输层（MAC）和物理层(PHY)，完全兼容IEEE802.3

10/100M协议，内置了PPPOE、IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太网协议栈固件。嵌入式处理器可以方便的通过CH395芯片进行网络通讯。

CH395支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH395芯片进行以太网通讯。我们使用的CH395Q封装只支持SPI和UART通信。

下图为CH395的应用框图。

CH395芯片的主要特性如下。

● 内部自带以太网介质传输层（MAC）和物理层(PHY)。

● 支持10/100M，全双工/半双工自适应，兼容802.3协议。

● 支持多种模式的地址过滤。

● 与802.3x全双工流控和半双工背压流控完全兼容。

● 支持MDI/MDIX线路自动转换。

● 内置TCP/IP协议簇，支持IPv4、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP协议。

● 内置PPPOE（仅CH395Q）协议，支持PAP和CHAP认证。

● 提供4个独立的Socket对，可以同时进行数据收发。

● 提供高速8位被动并行接口，支持连接到单片机的并行数据总线。

● 提供最高30MHz速度的SPI设备接口，支持连接到单片机的SPI串行总线。

● 提供最高3Mbps速度的异步串口，支持连接到单片机的串行口，支持通讯波特率动态调整。

● 支持低功耗模式。

● 内置24K RAM，可用于以太网数据收发。每传输通道独立拥有2KB发送缓冲区和4KB的接收缓冲区。

● 提供LQFP64M和LQFP128无铅封装，兼容RoHS。

3装配示意图

如图所示，SF-NET子板的P5插座连接SF-CY3核心板的P3插座，SF-NET子板的P6插座用于连接网线。

4实验效果展示图

如图所示，这是使用labview调试工具进行以太网数据收发的界面。