基于FPGA的UDP万兆光通信测试

本文开源一个FPGA项目：UDP万兆光通信。该项目实现了万兆光纤以太网数据回环传输功能。Vivado工程代码结构和之前开源的《UDP RGMII千兆以太网》类似，只不过万兆以太网是调用了Xilinx的10G Ethernet Subsystem IP核实现。由于该IP核需要付费使用，本文提供完整工程源码。

下面围绕该IP核的使用、用户接口，以及数据传输方案展开介绍。

01软硬件平台

• 软件平台：Vivado 2017.4;
• 硬件平台：XC7Z035FFG676-2;

02IP核参数配置

AXI4-Stream数据位宽 ： 选择64bits。对应的用户接口时钟频率为156.25MHZ。

MAC Options ： 选择使用AXI-Lite接口对IP核寄存器进行配置，同时需要设置时钟频率，这里设置为100MHZ（该设置仅对IP核out-of-context模式的综合有效）；不使用参数统计和优先级流量控制功能。

PCS/PMA Options： 配置GTX动态重配置端口DRP时钟为100MHZ（该设置同样仅对IP核out-of-context模式的综合有效）；不使用Transceiver Debug功能。

IEEE1588 Options： IEEE1588功能一般用于某些需要进行网络时间同步的场合，例如音（视）频传输。在本项目中只是进行数据传输，因此可以不选择使用。

Shared Logic： 由于在此项目Vivado工程中只需例化一个该IP核，因此这里选择Include Shared Logic in core，将共享资源包含在IP内部即可。如果需要例化多个该IP核，只需将其中一个IP核配置为Include Shared Logic in core，其余的都配置为Include Shared Logic in example design。

03用户接口

• AXI-Stream发送接口

用户通过该接口将要发送的以太网数据包写入IP核。另外，由tx_ifg_delay接口控制发送间隔，将其配置为0即可。AXI-Stream发送接口时序如下图所示。

• AXI-Stream接收接口

用户通过该接口读取IP核输出的以太网数据包。AXI-Stream接收接口时序如下图所示。

• Pcspma-Status接口

该接口用于输出IP核内部PCS PMA部分工作状态，在该工程中只有第0bit有效，用于指示PCS Block Lock。

• Sim-Speed-Up接口

该接口只在仿真时会用到，用于加快仿真速度，在该工程中将其设置为0即可。

• Optical模块接口

signal_detect：光模块状态指示信号，配置为1；

tx_fault：光模块状态指示信号，配置为0；

tx_disable：输出光模块控制信号。

• Flow-Control接口

在高带宽、大负荷传输场合，一般需要流量控制功能。在该工程不需要发送暂停帧，因此将以下两个信号设置为0。

s_axis_pause_tvalid & s_axis_pause_tdata。

• AXI-Lite接口

该接口用于读写IP核内部寄存器，通过对IP核各参数进行配置，以实现基本的以太网数据包收发功能。

04数据传输方案及测试

该项目的功能主要用于实现万兆以太网光纤数据回环传输，在电脑端通过网络调试助手向FPGA发送数据包，FPGA端接收、缓存数据包后回传给上位机。以太网数据回环传输方案如下图所示。

其中，时钟为156.25MHZ，数据位宽为64bits。在UDP IP核和10G Ethernet Subsystem IP核之间，通过插入FIFO实现对每包以太网数据流的缓存功能。

利用wireshark软件抓取PC端和FPGA端之间以太网双向传输数据包，结果如下图所示。