千兆以太網（3）：接收——包校驗和數據篩選

　　前面我們實現了FPGA板卡接收以太網的數據，但是里面的數據比較亂，而且可能出現無效幀，即便是有效幀，也不是所有數據都是我們要的，必須對數據進行篩選。本篇博客詳細記錄一下以太網數據的校驗和篩選。

一、數據的校驗和篩選

　　根據本次工程的情況，我們按照下表來進行設計：

1、包有效校驗

　　如上圖藍色部分即是我們的包有效校驗區，包發送數據過來，而剛好藍色位置的 5byte（40bit）數據和標准值一樣，那么就可以認定該包為有效包。

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//==    包有效校驗(udp、port源、port目的)
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always @(posedge clk) begin
    if(rst) begin
        pkg_value <= 40'd0;
    end
    else if(PHY_rx_cnt==31 || (PHY_rx_cnt>=42 && PHY_rx_cnt<=45)) begin
        pkg_value <= {pkg_value[31:0],PHY_rxd};
    end
end

always @(posedge clk) begin
    if(rst) begin
        pkg_vld <= 1'b0;
    end
    else if(PHY_rx_neg && pkg_value==40'h11_04d2_007b) begin
        pkg_vld <= 1'b1;
    end
    else begin
        pkg_vld <= 1'b0;
    end
end

2、CRC校驗

　　CRC校驗是為了證明一個數據包是否出錯，多數為 8 位或 32 位，本次采用 32 位的CRC校驗，但是記住，只能用於驗證數據是否出錯，而不能對錯誤進行糾正。此外 CRC 校驗是去掉了幀首部的 8 byte 數據后的校驗。如下所示是32位的CRC校驗模塊，注意校驗和解校驗的電路默認初始狀態都是 32‘hffffffff，即全1狀態。千兆以太網的解校驗結果為 32’hc704dd7b。可以用例化的方式對該模塊進行使用，而實際 CRC 校驗的科學原理則略微高深，此處不做講解。

always @(posedge sclk) begin
    if(rst) begin
        crc32_value <= 32'hFFFFFFFF;
    end
    else if(crc_en) begin
        crc32_value[ 0] <= c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 1] <= c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 2] <= c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 3] <= c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[ 4] <= c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[ 5] <= c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[1]^d[7];
        crc32_value[ 6] <= c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[ 7] <= c[31]^d[ 0]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[ 8] <= c[ 0]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^d[ 6]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[ 9] <= c[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^d[ 6];
        crc32_value[10] <= c[ 2]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[11] <= c[ 3]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[25]^d[ 6]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[12] <= c[ 4]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[26]^d[ 5]^c[25]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[13] <= c[ 5]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[14] <= c[ 6]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[5];
        crc32_value[15] <= c[ 7]^c[31]^d[ 0]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[16] <= c[ 8]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[17] <= c[ 9]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[25]^d[ 6];
        crc32_value[18] <= c[10]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[19] <= c[11]^c[31]^d[ 0]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[20] <= c[12]^c[28]^d[ 3];
        crc32_value[21] <= c[13]^c[29]^d[ 2];
        crc32_value[22] <= c[14]^c[24]^d[ 7];
        crc32_value[23] <= c[15]^c[25]^d[ 6]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[24] <= c[16]^c[26]^d[ 5]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[25] <= c[17]^c[27]^d[ 4]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[26] <= c[18]^c[28]^d[ 3]^c[27]^d[ 4]^c[24]^c[30]^d[ 1]^d[ 7];
        crc32_value[27] <= c[19]^c[29]^d[ 2]^c[28]^d[ 3]^c[25]^c[31]^d[ 0]^d[ 6];
        crc32_value[28] <= c[20]^c[30]^d[ 1]^c[29]^d[ 2]^c[26]^d[ 5];
        crc32_value[29] <= c[21]^c[31]^d[ 0]^c[30]^d[ 1]^c[27]^d[ 4];
        crc32_value[30] <= c[22]^c[31]^d[ 0]^c[28]^d[ 3];
        crc32_value[31] <= c[23]^c[29]^d[ 2];
    end
    else begin
        crc32_value <= 32'hFFFFFFFF;
    end
end

3、數據的篩選

　　由上圖可知，只有中間紅色部分的 “用戶數據”才是我們真正需要的，因此最終輸出結果還需要進行一番篩選，去頭去尾即可，這也沒什么難的。

4、8bit轉16bit

　　以太網傳過來的是雙沿 4bit 數據，轉換后是 8bit，而圖像是 RGB565 格式，是 16bit 的，因此還需要進行一下 8bit 轉 16bit 的設計。

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//==    8bit轉16bit
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always @(posedge clk) begin
    if(rst)
        byte_cnt <= 0;
    else if(add_byte_rx_cnt) begin
        if(end_byte_rx_cnt)
            byte_cnt <= 0;
        else
            byte_cnt <= byte_cnt + 1;
    end
end

assign add_byte_rx_cnt = frx_vld;
assign end_byte_rx_cnt = add_byte_rx_cnt && byte_cnt== 2-1;

always @(posedge clk) begin
    if(rst) begin
        PHY_data <= 0;
    end
    else if(add_byte_rx_cnt) begin
        PHY_data <= {PHY_data[7:0],frx_data};
    end
end

always @(posedge clk) begin
    if (rst == 1'b1) begin
        PHY_vld <= 1'b0;
    end
    else if(end_byte_rx_cnt) begin
        PHY_vld <= 1'b1;
    end
    else begin
        PHY_vld <= 1'b0;
    end
end

 

二、代碼設計

　　上面已經貼了部分代碼了，難道這里我要全貼代碼嗎？不，貼代碼沒有意義，重要的是懂內部的含義。我們以 rx_filter 來命名此模塊，rx_filter 的輸入是網口數據經過前一講中轉換后的 8bit 數據值和對應使能，輸出則是經過校驗和篩選后的數據和使能。

　　上面說的 包有效校驗 和 CRC校驗，代碼本身都不難，用個計數器數進來的數據使能，然后對那些關鍵節點進行比較即可。但是那頭數據邊來這頭又要邊校驗，很可能時序出錯，因此有必要建立一個 data_fifo 先緩存住過來的數據，然后進行包有效校驗和 CRC 校驗。data_fifo 的深度可以深一點，例如8192，這樣就能容納多幀了。校驗完了后是需要判斷是否丟棄該包的，因此還需要另一個 status_fifo 對校驗信息進行存儲，同時只要 status_fifo 由空變成不空了，說明該包校驗信息寫入了，即該包校驗結束，那就直接設計 status_fifo 的讀使能讓信息數據出來，並用一個寄存器鎖存住后面用。 status_fifo 的讀使能有了后，data_fifo 的讀使能也要立馬設計出來，免得新來的各種包不斷進入 data_fifo，那不得撐爆了。注意 data_fifo 的讀使能持續時間應該和進來時的數據使能一樣長，所以前面計數時不能光計數了，還得把一個完整包的長度存起來。怎么存？直接將長度寄存住后 和 包有效校驗、CRC校驗拼接一起寫給 status_fifo 就行了，后面 status_fifo 讀出來這些數據就能為我們所用了。現在 data_fifo 不斷的寫數據讀數據，status_fifo 也不斷的寫信息數據讀信息數據，下一步我們就能利用讀出來的信息數據，判斷里面的的信息（即包有效校驗和CRC校驗）是不是真的OK，如果是真的OK，那就將 data_fifo 的讀數據和讀使能進行數據剔除，留下中間“用戶數據”部分再傳出去，如果不OK就不管了，讓那個 data_fifo 的讀使能和讀數據繼續工作，但我們不使用它，相當於丟棄了。示意圖如下所示：

波形圖如下所示，結合上面所說，理解了下面的波形圖那本模塊就沒問題了。

 

三、波形

　　申請一個 ila 觀察數據，可以讓 Matab 發送一段 0-255 的數據，查看我們的包有無問題，波形圖（部分名字進行了修改）如下所示：

 

四、千兆以太網 + DDR3 + HDMI 顯示

　　將千兆以太網和 DDR3、HDMI結合，即可實現 以太網 + DDR3 + HDMI 顯示了，尤其注意輸出端口、時鍾連線和引腳約束，工程結構如下所示：

　　發送端在PC，利用 matlab 將一段影片轉換為圖像數據，圖像數據格式為 RGB565，圖像轉換為一個個以太網的包，再利用 matlab 發送到網口，FPGA板卡接收以太網數據，經過 PHY_top 的轉換，再在 DDR3_ctrl 中緩存，最后通過 HDMI_top 模塊將視頻輸出到顯示屏上。

　　HDMI 的設計中沒有考慮聲音的輸出，因此 matlab 那也沒有轉換聲音，最終顯示的視頻是無聲的，實驗結果如下所示：

 

 

參考資料：威三學院FPGA教程