第49章：以太网UDP测试实验（初学者详解）

第49章：以太网UDP测试实验

ARP 让开发板"被找到"，ICMP 让开发板"被 ping 通"，这一章的 UDP 则让开发板真正"说人话"——收发用户数据。本章也是以太网三部曲的收官之战：ARP + ICMP + UDP 三协议共存。

本章在讲什么？（先看这个）

实验任务：电脑用网口调试助手发数据 → FPGA 收到后原样发回（UDP 环回）。

本章的核心增量只有一个——UDP 协议，但工程架构升级到了三协议并存：

1. UDP 协议：传输层的"快递小哥"，只管送不管签收；
2. 三协议切换：eth_ctrl 模块从二选一升级为三选一；
3. 异步 FIFO：为将来收发不同时钟域做好准备。

核心概念拆解

49.1 UDP 是什么，为什么不用 TCP

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是面向无连接的传输层协议：发送端不确认对方是否存在就直接发，接收端也不回执。听起来很"不靠谱"，但它的两个优点让它在硬件世界里几乎是唯一选择：

• 开销小、速度快：没有连接建立、确认重传这些负担；
• 丢一两个包无伤大雅：视频直播、音频传输等实时场景完全可以容忍。

那为什么不用更可靠的 TCP？原文的理由非常实在：TCP 是为软件灵活性设计的，用硬件逻辑实现工程量巨大，且功能和性能难以保证。所以 FPGA 以太网传输绝大多数基于 UDP。

还有个容易被问到的问题：数据直接封装在 IP 里不行吗？不行——一台服务器要同时提供多种服务（网页 80 端口、FTP 21 端口……），端口号才是区分服务的钥匙。TCP/UDP 都用 16 位端口号（0~65535）。

49.2 UDP 数据格式：8 字节首部，短小精悍

字段	位数	说明
源端口号	16	本实验固定 1234
目的端口号	16	本实验固定 1234
UDP 长度	16	首部+数据总长
UDP 校验和	16	含伪首部校验，接收端一般不检测，本实验直接填 0

完整的封装关系：MAC帧[ IP数据报[ UDP报文[ 用户数据 ] ] ]，用户数据一包最多 1472 字节（1500 − 20 − 8）。

UDP 校验和的完整算法涉及"伪首部"（从 IP 头里抽出来的源/目的 IP、协议号、UDP 长度），本实验偷了个懒——置 0 不校验，实际接收端大多也不查，可以接受。

49.4 程序设计：UDP 模块 + 三协议切换

总体架构

相比 ICMP 实验，变化点：

• 新增 UDP 模块（udp_rx + udp_tx + crc32_d8）；
• FIFO 从同步升级为异步 FIFO（虽然当前收发还是同时钟，但为后续例程留好了口子）；
• eth_ctrl 的协议切换信号 protocol_sw 从 1 位扩展为 2 位，四种取值：00=ARP、01=UDP、10=ICMP。

udp_rx：多一层首部而已

接收状态机与 ICMP 版本几乎一样，只是 st_ip_head 后面接的是 st_udp_head（解析 8 字节 UDP 首部）而不是 ICMP 首部。老规矩：中间状态出错跳 st_rx_end，等 gmii_rx_dv=0 再复位，避免把同一包的剩余字节误认为新的前导码。

接收有效数据的核心代码：

st_rx_data : begin
    //接收数据
    if(gmii_rx_dv) begin
        udp_rx_cnt <= udp_rx_cnt + 16'd1;
        rec_data   <= gmii_rxd;
        rec_en     <= 1'b1;
        if(udp_rx_cnt == data_byte_num - 16'd1) begin
            udp_rx_cnt   <= 16'd0;
            rec_pkt_done <= 1'b1;
            rec_byte_num <= data_byte_num;
        end
    end
end

注意校验和旁路累加在 UDP 版本里没有了——因为 UDP 校验和我们不算。

udp_tx：IP 首部协议号换成 17

发送状态机与 ICMP 版本同构，IP 首部初始化只有一处不同：

ip_head[2] <= {8'h40,8'd17,16'h0};   //协议：17(udp) ←ICMP实验里是8'd01
//UDP头部
udp_head[0] <= {16'd1234,16'd1234};  //源端口号:1234 目的端口号:1234
udp_head[1] <= {udp_num,16'h0000};   //16位UDP长度,校验和置0

发送数据状态同样处理了最小帧长问题：

st_tx_data : begin
    crc_en     <= 1'b1;
    gmii_tx_en <= 1'b1;
    gmii_txd   <= (udp_tx_cnt < tx_data_num) ? tx_data : 8'd0; //不足18字节补0
    ...
end

以太网数据段最少 46 字节，去掉 IP 首部（20）和 UDP 首部（8）后，有效数据至少 18 字节，不足就补零。

eth_ctrl：二位宽开关 + 数据通路复用

三协议切换的核心是一个 2 位选择器：

case(protocol_sw)
    2'b00: begin
        gmii_tx_en <= arp_gmii_tx_en;
        gmii_txd   <= arp_gmii_txd;
    end
    2'b01: begin
        gmii_tx_en <= udp_gmii_tx_en;
        gmii_txd   <= udp_gmii_txd;
    end
    2'b10: begin
        gmii_tx_en <= icmp_gmii_tx_en;
        gmii_txd   <= icmp_gmii_txd;
    end
endcase

优先级逻辑：UDP 请求 > ICMP 请求 > ARP，且 ARP 必须等 UDP 和 ICMP 都空闲才被响应。

除了发送总线，接收数据和 FIFO 读请求也要做三路复用：

//接收数据使能与数据判断（ICMP和UDP收到的数据统一送FIFO）
else if (icmp_rec_en) begin
    rec_en   <= icmp_rec_en;
    rec_data <= icmp_rec_data;
end
else if(udp_rec_en) begin
    rec_en   <= udp_rec_en;
    rec_data <= udp_rec_data;
end
//读请求仲裁
assign tx_req = udp_tx_req ? 1'b1 : icmp_tx_req;

这里有个容易忽略的细节：icmp_tx_req 和 udp_tx_req 各打了一拍再用于数据选择（icmp_tx_req_d0/udp_tx_req_d0），让数据选择与请求信号对齐，避免第一个字节读错。

顶层环回链路

assign icmp_tx_start_en = icmp_rec_pkt_done;  //收到ICMP请求→发应答
assign tx_start_en      = rec_pkt_done;       //收到UDP包→原样发回
assign des_mac          = src_mac;            //目标地址从解析结果来
assign des_ip           = src_ip;

整个系统本质是"收到什么发什么"的镜像结构，这也是所有回环测试的经典范式。

49.5 下载验证

管脚与 ARP 实验一致。验证流程：

1. 电脑 IP 设 192.168.1.102，下载程序；
2. 打开网口调试助手：协议选 UDP，本地 IP 192.168.1.102、本地端口 1234，点【打开】；
3. 远程主机填 192.168.1.10:1234（开发板 IP 和端口号都是 1234，对应代码里 udp_head[0] <= {16'd1234,16'd1234}）；
4. 发送 http://www.openedv.com/forum.php，接收窗口原样出现同样的字符串——环回成功！

用 Wireshark 抓包可以看到完整的四次交互：ARP 请求→ARP 应答→UDP 数据→UDP 回包，双击回包能看到源/目的 IP 和端口均为 1234，数据段正是发送的字符串。

初学者容易踩的坑

1. 端口号不匹配：调试助手本地端口必须是 1234（与代码一致），否则发出去的包开发板不认。
2. IP 协议号忘改：从 ICMP 例程改 UDP 时，IP 首部协议字段必须从 1 改成 17，否则电脑把包当 ICMP 解析失败。
3. UDP 长度算错：UDP 长度 = 首部 8 字节 + 数据长度，不是以太网总长度，多算 20 字节会被丢弃。
4. 协议切换丢包：UDP 发送过程中来了 ARP 请求，如果不判 udp_tx_busy 就切走 protocol_sw，正在发的 UDP 包会被截断。
5. FIFO 读请求没对齐：tx_req 与数据选择之间差一拍，导致发送的第一个字节是 FIFO 里残留的旧数据。
6. 最小 18 字节有效数据：发送数据不足 18 字节又不补零，帧长不足 46 字节，电脑网卡直接丢弃。

小结 & 下一步

本章是以太网协议栈的"毕业设计"：

• UDP 首部只有 8 字节，端口号是服务区分的核心；UDP 校验和含伪首部，简单场景可置 0；
• 三协议共存架构：协议解析并行独立、发送总线用 2 位开关串行复用、优先级 UDP > ICMP > ARP；
• 异步 FIFO 替代同步 FIFO，为跨时钟域应用做好准备；
• 完整的环回验证 + Wireshark 抓包分析，四包流程（ARP×2 + UDP×2）一气呵成。

至此，FPGA 已经具备了完整的以太网通信能力。下一章开始玩法升级：基于 OV5640 摄像头的 PL 以太网视频传输实验——把摄像头画面通过网络实时传出去，前面所有的协议模块都将派上用场。