嵌入式开发之路

第47章：以太网ARP测试实验（初学者详解）

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description开发板怎么'找到'电脑？本文带你吃透以太网帧格式与ARP协议，用状态机实现ARP请求/应答的收发，顺便搞懂RGMII接口的DDR采样与CRC32校验。
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第47章：以太网ARP测试实验

上一章我们搞定了 PHY 的配置通道，这一章让开发板真正接入网络：实现 ARP 协议——它是以太网通信的"第一步"，没有它，后面所有的 IP 通信都无从谈起。

本章在讲什么？（先看这个）

本章要实现双向的 ARP 功能：

  1. 电脑发 ARP 请求 → 开发板识别后返回 ARP 应答（告诉电脑自己的 MAC 地址）；
  2. 按下触摸按键 → 开发板主动发 ARP 请求，电脑返回应答。

要实现它，你必须先弄懂四块知识：以太网帧格式、ARP 协议格式、RGMII 接口、CRC32 校验。本章一个一个拆。

核心概念拆解

47.1 ARP 协议：IP 地址换 MAC 地址的"查号台"

以太网通信以"帧"为单位，帧头里必须写目的主机的 MAC 地址。问题来了：我们只知道对方 IP（比如 192.168.1.102），怎么知道它的 MAC？这就是 ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议） 的任务。

工作流程非常像"宿舍楼喊话"：

  1. ARP 请求（广播）：主机 A 在局域网里大喊："谁是 192.168.1.10？请告诉 192.168.1.102！"——目的 MAC 填广播地址 ff_ff_ff_ff_ff_ff，所有主机都会收到；
  2. ARP 应答（单播）：只有 IP 对得上的主机 B 回应："192.168.1.10 的 MAC 是 00-11-22-33-44-55"，并直接发给 A；
  3. ARP 缓存：A 把这对 IP↔MAC 记在小本本上，下次直接用（缓存一般 20 分钟过期）。

47.2 以太网 MAC 帧格式：所有协议的"集装箱"

图47.1.5 以太网帧格式

字段 长度 说明
前导码 Preamble 7 字节 0x55 交替同步码
帧起始界定符 SFD 1 字节 固定 0xd5
目的 MAC 6 字节 单播/组播/广播地址
源 MAC 6 字节 发送端地址
长度/类型 2 字节 ≥1536 时表示上层协议：0x0800=IP，0x0806=ARP
数据 46~1500 字节 1500 即 MTU
FCS 4 字节 CRC32 校验

两个容易被忽略的规则：

  • 最小 46 字节：ARP 数据只有 28 字节，后面必须填充 18 字节（Padding，一般填 0）；
  • 帧间隙 IFG：相邻两帧之间至少间隔 96 bit time，给设备留出恢复时间。

47.3 RGMII 接口：4 根线跑出千兆速率的秘密

FPGA 内部逻辑喜欢 8 位宽的 GMII 接口（单沿采样），但 PHY 芯片（YT8531）用的是 RGMII 接口——数据线只有 4 位，靠双沿采样（DDR）补回带宽：时钟仍为 125MHz，上升沿传低 4 位，下降沿传高 4 位。

图47.1.8 MAC侧与PHY侧接口连接

关键信号一览：

信号 方向 说明
ETH_RXC PHY→FPGA 接收时钟，1000M 时 125MHz
ETH_RXCTL PHY→FPGA 接收数据有效（含错误信息异或）
ETH_RXD[3:0] PHY→FPGA 接收数据
ETH_TXC FPGA→PHY 发送时钟
ETH_TXCTL FPGA→PHY 发送数据有效
ETH_TXD[3:0] FPGA→PHY 发送数据

时序上有个硬件细节：开发板通过上下拉电阻配置了 RXC 相对 RXD 延时约 2ns 的模式，让数据落在时钟边沿的"中间"，采样窗口更充裕。这直接影响后面 IDELAY 的配置。

47.4 CRC32 校验：为什么发送端必须做

CRC32 是网络通信里最常用的校验（生成多项式 G(x)=x³²+x²⁶+…+1）。本实验只对发送做校验、不对接收做校验，原因是：

  • 接收的数据对不对，从解析结果就能大致判断；
  • 发送的数据如果 CRC 不对，会被电脑网卡直接丢包，ARP 就失败了。

实现上没有用逐 bit 移位的笨办法，而是用 crc32_d8：查表法一次算一个字节，一个时钟周期出结果，满足千兆网实时性（代价是多吃一些 LUTRAM）。

47.4 程序设计：四大模块协作

总体架构

图47.4.2 ARP测试实验系统框图

数据通路是：

ARP控制模块 → ARP模块(收/发/CRC) ↔ GMII_TO_RGMII模块 ↔ PHY芯片
                    ↑
              PLL提供200MHz给IDELAYCTRL

GMII_TO_RGMII：原语三件套

接收方向（rgmii_rx）：4 位 RGMII 数据 → 8 位 GMII 数据。用了三个 FPGA 原语：

//输入延时（补偿走线偏差，须搭配IDELAYCTRL）
IDELAYE2 #(
    .IDELAY_TYPE     ("FIXED"),
    .IDELAY_VALUE    (IDELAY_VALUE),   //延时n个tap(每个约78ps)
    .REFCLK_FREQUENCY(200.0)
) u_delay_rxd (...);
//双沿采样→单沿双位
IDDR #(
    .DDR_CLK_EDGE("SAME_EDGE_PIPELINED")
) u_iddr_rxd (
    .Q1 (gmii_rxd[i]),     //上升沿采到低4位
    .Q2 (gmii_rxd[4+i]),   //下降沿采到高4位
    .C  (rgmii_rxc_bufio), //BUFIO专用IO时钟
    .D  (rgmii_rxd_delay[i])
);

代码用 generate for 循环例化 4 组 IDELAYE2+IDDR——需要重复例化时，这是标准省代码写法。时钟则分成两路：BUFG 全局时钟给内部逻辑，BUFIO 专供 IO 口采样。

发送方向（rgmii_tx）：用 ODDR 原语做逆变换，8 位单沿 → 4 位双沿：

ODDR #(
    .DDR_CLK_EDGE("SAME_EDGE")
) ODDR_inst (
    .Q  (rgmii_txd[i]),
    .C  (gmii_tx_clk),
    .D1 (gmii_txd[i]),    //上升沿送低4位
    .D2 (gmii_txd[4+i])   //下降沿送高4位
);

ARP 接收模块：状态机逐字段解析

接收状态机的五个状态正好对应帧的各段：

st_idle → st_preamble(7个55+1个d5) → st_eth_head(14字节帧头)
        → st_arp_data(28字节ARP数据) → st_rx_end → 回idle

一个重要的设计决策：中间状态解析出错时跳到 st_rx_end 而不是 st_idle。因为这一包数据还没接收完，如果立刻回空闲态，剩下的有效字节会被误当成前导码解析。st_rx_end 会等 gmii_rx_dv=0（本包结束）才回 idle。

解析 ARP 数据的核心代码：

st_arp_data : begin
    if(gmii_rx_dv) begin
        rx_cnt <= rx_cnt + 5'd1;
        if(rx_cnt == 5'd6)
            op_code[15:8] <= gmii_rxd;                      //操作码
        else if((rx_cnt >= 5'd8) && (rx_cnt < 5'd14))
            src_mac_temp <= {src_mac_temp[39:0],gmii_rxd};  //源MAC地址
        else if((rx_cnt >= 5'd14) && (rx_cnt < 5'd18))
            src_ip_temp <= {src_ip_temp[23:0],gmii_rxd};    //源IP地址
        else if(rx_cnt == 5'd28) begin
            //判断目的IP是不是开发板的IP
            if(des_ip_temp == BOARD_IP) begin
                if((op_code == 16'd1) || (op_code == 16'd2)) begin
                    arp_rx_done <= 1'b1;
                    src_mac     <= src_mac_temp;
                    src_ip      <= src_ip_temp;
                    if(op_code == 16'd1)
                        arp_rx_type <= 1'b0;   //ARP请求
                    else
                        arp_rx_type <= 1'b1;   //ARP应答
                end
            end
        end
    end
end

三重过滤一目了然：IP 是不是我的？操作码是不是 1（请求）或 2（应答）？都通过才算收包成功。

ARP 发送模块：数组拼帧 + 补零 + 发 CRC

发送模块用三个数组把整帧内容备好：

reg [7:0] preamble[7:0]  ; //前导码+SFD
reg [7:0] eth_head[13:0] ; //以太网首部
reg [7:0] arp_data[27:0] ; //ARP数据

发送状态机依次把三段数组搬上 GMII 总线。两个细节：

细节一，Padding 补零。ARP 数据 28 字节不足 46 字节，发送时直接用三目运算符补齐：

st_arp_data : begin
    gmii_tx_en <= 1'b1;
    gmii_txd   <= (tx_cnt < 6'd28) ? arp_data[tx_cnt] : 8'd0; //28字节后补0
    crc_en     <= 1'b1;
    ...
end

细节二，CRC 发送顺序。CRC32 发送前要按位取反、高低位互换，这是以太网规范的要求：

st_crc : begin
    gmii_tx_en <= 1'b1;
    if(tx_cnt == 6'd0)
        gmii_txd <= {~crc_next[0],~crc_next[1],...}; //crc_next高字节取反发送
    ...
end

另外发送前会检查 des_mac/des_ip 是否已被更新——第一次发请求时目的 MAC 是广播地址，收到应答后缓存下对方 MAC，下次就能点对点发送了。

ARP 控制模块：两种触发来源

if(pos_touch_key == 1'b1) begin        //按下触摸按键→主动发ARP请求
    arp_tx_en   <= 1'b1;
    arp_tx_type <= 1'b0;
end
else if((arp_rx_done == 1'b1) && (arp_rx_type == 1'b0)) begin
    arp_tx_en   <= 1'b1;               //收到别人的请求→回应答
    arp_tx_type <= 1'b1;
end

仿真验证的巧思

TB 里把发送、接收环回起来，一个顶层就能同时测收和发：

assign gmii_rx_dv = gmii_tx_en;   //发送的数据直接喂给接收端
assign gmii_rxd   = gmii_txd;

激励流程：先发一个 ARP 请求包 → 等 tx_done → 延时 → 再发一个 ARP 应答包，一次仿真覆盖两种包型。

47.5 下载验证

  • 电脑 IP 设为 192.168.1.102，开发板 IP 固化为 192.168.1.10（参数 BOARD_IP）；
  • 按下触摸按键，开发板发 ARP 请求；在电脑 cmd 里先 ping 192.168.1.10，让电脑主动发请求，开发板会自动应答；
  • 用 arp -a 命令查看电脑的 ARP 缓存表，能看到 192.168.1.10 对应的 MAC 地址（00-11-22-33-44-55）就说明双向链路都通了。

初学者容易踩的坑

  1. 忘记 Padding：ARP 只有 28 字节，不发够 46 字节数据段，电脑网卡会直接丢弃。
  2. CRC 字节序：发送时忘记"取反+高低位互换"，数据包 CRC 校验必错，表现为电脑完全收不到包。
  3. RGMII 时钟域混淆：接收逻辑必须用 gmii_rx_clk（由 RXC 经 BUFG 而来），发送用 gmii_tx_clk，两个时钟域的信号不能混用。
  4. IDELAY 忘加参考时钟：IDELAYE2 必须搭配 IDELAYCTRL 和 200MHz 参考时钟（PLL 输出），漏掉 200MHz 时钟综合会报错或时序异常。
  5. 出错状态跳转：接收状态机出错时直接回 idle，会把同一包的后续字节误认为新的前导码，出现"幽灵包"。
  6. 广播地址写错：ARP 请求的目的 MAC 必须是 ff_ff_ff_ff_ff_ff，写成了对方 MAC 反而会让请求永远无人应答。

小结 & 下一步

本章信息量不小，复盘一下收获：

  • 协议层：以太网帧格式、ARP 请求/应答流程、最小帧长与填充规则；
  • 接口层：RGMII 的 DDR 采样原理，IDDR/ODDR/IDELAY/BUFG/BUFIO 原语的使用；
  • 校验层：crc32_d8 查表法校验及发送时的字节序处理；
  • 架构层：收发状态机的设计，以及"出错先等本包结束再复位"的工程思维。

ARP 解决了"找对方"的问题。下一章 ICMP 测试实验，我们让开发板回复 ping 命令——这是检验网络连通性最直接的方式。

关系图谱

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