【技术分享】以太网，FPGA就一定能搞定系列之UDP传输实例

发表于 2014/1/10 20:00:25 阅读（5019）

以太网，FPGA就一定能搞定系列之UDP传输实例

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》。

最新设计文档下载地址：http://pan.baidu.com/s/1em79m

1 概述

本实例的硬件系统和前面两个实例一样，只是在CH395芯片的应用上使用了不同的传输模式。本实例要传输的是UDP协议的IP包，只要设置CH395工作于UDP模式，设置好收发端口号，就可以收发UDP协议的IP包了。通过这个实例大家可以初步掌握UDP协议的传输和格式。

2 UDP协议解析

UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。UDP帧是IP帧的一种，它的协议格式如图所示。IP首部的协议字段数据必须为0x11（即10进制的17）；在原有的IP数据报中，又分为了UDP首部和UDP数据两部分；UDP首部有2个字节的源端口号、2个字节的目的端口号、2个字节的UDP长度和2个字节的UDP校验和。

UDP是一个简单的，不可靠的，面向数据报文的运输层协议，传输速度较快，不能保证数据能达到目的地，必须由应用层来保证传输的可靠稳定。

如图所示，FPGA向CH395写入若干字节数据流后，CH395数据流封装在UDP数据部分进行发送。UDP一包可以发送的最大长度为1472字节，如果FPGA写入的数据流长度大于1472字节，CH395会将数据流封装成若干个UDP包进行发送且每包成功发送后都会产生SINT_STAT_SEND_OK中断。FPGA每次写入的字节长度不得大于发送缓冲区长度（2KB），且收到SINT_STAT_SENBUF_FREE中断后才可以进行下一次写数据。

当CH395接收到UDP报文后，将UDP数据复制到socket接收缓冲区中并产生SINT_STAT_RECV中断，FPGA收到此中断后，可以发送命令CMD_GET_RECV_LEN_SN来获取接收缓冲区数据的长度，然后发送命令CMD_READ_RECV_SN来读取缓冲区的数据。FPGA可以一次将所有数据读出也可以只读出部分数据，由于UDP模式下CH395无法提供流控，建议接收到的数据及时快速的读完，以免被后续的数据覆盖。

3 UDP模式介绍

UDP是一个简单的，不可靠的，面向数据报文的运输层协议，传输速度较快，不能保证数据能达到目的地，必须由应用层来保证传输的可靠稳定。

4 TCP/UDP端口介绍

TCP和UDP服务通常有一个用户/服务器的关系，例如，一个Telnet服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用Telnet用户程序与服务进程建立一个连接。用户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，用户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。

TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认：

● 源IP地址：发送包的IP地址。

● 目的IP地址：接收包的IP地址。

● 源端口：源系统上的连接的端口。

● 目的端口：目的系统上的连接的端口。

端口指网络中面向连接服务和无连接服务的通信协议端口，是一种抽象的软件结构，包括一些数据结构和I/O（基本输入输出）缓冲区。它是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。

电脑一共有65535个端口，1-1024属于保留端口，是标准服务端口，是一些系统服务的端口，随便用的话，会起冲突，导致服务无法运行，如21，80端口。1024后面的就属于自由端口了，供后续开发的小程序使用。

上面的描述可能有些学术化了，不是很容易理解消化。我们可以简单的打个比方来说明TCP/UDP的端口为何物。如图所示，这是一个港口，布满了密密麻麻又井然有序的集装箱。我相信对于这样一个港口，对于集装箱的摆放一定划分了很多区域或者打上了很多标签，便于分类和管理。如果把以太网帧比喻为一个个装满货物的集装箱，那么港口的区域划分或者标签张贴就好比TCP/UDP的端口定义，端口的作用应该就是为了便于管理和分类，避免一个新的以太网帧到来时，所有的应用程序一拥而上。TCP/UDP端口保证了“一个萝卜一个坑“式的井然有序。

5 软件设计

本实例软件流程如图所示。UDP模式设置中需要设置目的主机的IP地址，即PC机的IP地址192.168.1.103；并且设置目的端口为8000（10进制），源端口为5000（10进制）。随后在主循环中等待PC端来的一个UDP帧，则FPGA打印接收帧数据，将所有数据取反后发回给PC机。那么随后的板级调试，我们需要率先在PC端制作一个端口号对应的UDP帧发给FPGA端，随后在PC端观察数据取反后的UDP帧是否返回了。

6 板级调试

下载sof文件，在线运行EDS软件工程。随后我们打开“科来软件分析系统”，按照前面一个实例新建一个IP包，如图所示，该IP包的源主机是PC端，目的主机是我们的FPGA端，因此我们需要相应的设定源主机和目的主机的MAC地址和IP地址。另外，这个IP包是UDP协议格式的，因此我们也需要设定上层协议值为17（10进制）。在FPGA端，我们设置源主机（FPGA）的端口号为5000，目标主机（PC）的端口号为8000；因此，在PC端则恰恰相反，我们设定源主机端口号为8000，目的主机端口号为5000。IP包的总数据长度为108个字节，包括8个字节的UDP首部和100个字节的用户数据，100个字节数据是我们自己输入的，随后FPGA端会对这些数据取反然后发送回PC端。

当我们在PC端发送UDP协议的IP包后，如图所示，Nios II Console窗口除了之前打印的版本和连接信息外，同时也打印除了新接收到的100个字节数据，随后取反并发送出去了。

我们可以回到“科来网络分析系统”，我们查看IPàUDP包的解析，这里有两个包，即以192.168.1.103和192.168.1.101为源IP地址互发的UDP包，即我们刚刚的实验中所产生的两个包。如图所示，我们可以分别查看这两个包的解析，尤其大家可以对照两个包的数据是取反的。这和我们的实验初衷是一致的，这两个UDP包都很好的完成了任务。

7 基于labview UDP调试助手的板级调试

首先我们需要安装SF-CY3配套光盘tools文件夹下的SF-NET UDP Tools.rar压缩包内的UDP调试助手工具，这个UDP调试助手是使用labview编写。双击压缩包内的setup.exe安装软件，弹出安装界面如图所示。

完成软件工具安装，和前面一样，在线运行实例工程。接着我们打开开始菜单的“程序àUDPà应用程序”。

随后就弹出如图所示的UDP调试助手主界面。第一次开启软件默认就运行了，在设置好远程目的IP地址和端口号后，若希望其能够生效，大家需要先点击停止运行，然后重新开始运行方可。

前面的实例我们已经知道，FPGA端的IP地址是192.168.1.101，PC端的本地端口是8000（即FPGA的目的端口号），PC端的远程端口号是5000（即FPGA的本地端口号）。

我们重新运行UDP调试助手，为了便于观察显示数据的收发情况，我们将“发送数据”和“接收数据”对应的“显示格式”都设置为“16进制”，在发送数据窗口中输入一长串的16进制数据，然点击右侧的“发送”按钮，随后我们便可以看到“接收数据”窗口中打印了一长串由FPGA端返回的数据，大家可以仔细看看，这些数据是否都是发送数据取反后的结果。