以太网，FPGA就一定能搞定系列之概述篇

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》。

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1 概述

         如图所示，SF-NET子板围绕CH395芯片，一端通过32PIN的OUTTPIN连接器连接到SF-CY3核心板的FPGA上进行数字通信，另一端通过RJ45水晶头连接器连接到以太网中。CH395是一颗集成了以太网MAC和PHY的专用芯片，功能强大，能够进行10M/100M的以太网传输。在数字端，CH395可以使用简单的SPI或UART接口和其他处理器进行数据交互。CH395的I/O电压使用3.3V，由SF-CY3核心板直接供给；内核电压使用1.8V，需要通过一颗LDO转换得到。此外，CH395还需要外部30MHz的晶体时钟输入，这在图中未示意，大家可以参看电路图。

         SF-NET子板套件的全家福如图所示。

         SF-NET套件最新的设计文档目录，更多例程不断更新中。

11 SF-NET子板开发指南... 747

11.1 功能与原理图介绍... 747

11.1.1 主要外设芯片及电路图解析... 747

11.1.2 装配示意图... 752

11.2逻辑（Verilog）实例21——基于串口调试助手的CH395基本通信测试... 753

11.2.1 概述... 753

11.2.2 FPGA中的互联代码... 753

11.2.3 板级环境搭建... 754

11.2.4 PC端串口工具调试... 755

11.2逻辑（Verilog）实例21——基于串口调试助手的CH395基本通信测试... 762

11.2.1 概述... 762

11.3 基于Qsys 的NIOS II 实例21——CH395基本通信... 763

11.3.1 概述... 763

11.3.2 Qsys硬件工程移植... 764

11.3.3 软件设计... 770

11.3.4 板级调试... 817

11.4 基于Qsys 的NIOS II 实例22——MACRAW模式ARP请求... 818

11.4.1 概述... 818

11.4.2 以太网协议概述... 819

11.4.3 CH395应用概述... 821

11.4.4 MACRAW模式介绍... 822

11.4.5 ARP简介... 823

11.4.6 软件设计... 825

11.4.7 板级调试... 834

11.5 基于Qsys 的NIOS II 实例23——IPRAW模式收发传输实例... 839

11.5.1 概述... 839

11.5.2 IPRAW模式介绍... 839

11.5.3 IP协议解析... 840

11.5.4 软件设计... 841

11.5.5 板级调试... 852

11.6 基于Qsys 的NIOS II 实例24——UDP模式传输实例... 857

11.6.1 概述... 857

11.6.2 UDP协议解析... 857

11.6.3 UDP模式介绍... 858

11.6.4 TCP/UDP端口介绍... 858

11.6.5 软件设计... 860

11.6.6 板级调试... 870

11.6.7 基于labview UDP调试助手的板级调试... 874

11.7 基于Qsys 的NIOS II 实例25——TCP客户端模式传输实例... 879

11.7.1 概述... 879

11.7.2 TCP协议解析... 879

11.7.3 TCP连接的建立和断开... 881

11.7.4 TCP客户端模式介绍... 883

11.7.5 软件设计... 884

11.7.6 板级调试... 885

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2 模块电路介绍

         CH395是以太网协议栈管理芯片，用于单片机系统进行以太网通讯。

         CH395 芯片自带10/100M 以太网介质传输层（MAC）和物理层(PHY)，完全兼容IEEE802.3

10/100M协议，内置了PPPOE、IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太网协议栈固件。嵌入式处理器可以方便的通过CH395芯片进行网络通讯。

         CH395支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH395芯片进行以太网通讯。我们使用的CH395Q封装只支持SPI和UART通信。

         下图为CH395的应用框图。

         CH395芯片的主要特性如下。

● 内部自带以太网介质传输层（MAC）和物理层(PHY)。

● 支持10/100M，全双工/半双工自适应，兼容802.3 协议。

● 支持多种模式的地址过滤。

● 与 802.3x 全双工流控和半双工背压流控完全兼容。

● 支持MDI/MDIX 线路自动转换。

● 内置TCP/IP协议簇，支持IPv4、DHCP 、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP协议。

● 内置PPPOE（仅CH395Q）协议，支持PAP和CHAP认证。

● 提供4个独立的Socket对，可以同时进行数据收发。

● 提供高速8位被动并行接口，支持连接到单片机的并行数据总线。

● 提供最高30MHz速度的SPI设备接口，支持连接到单片机的SPI串行总线。

● 提供最高3Mbps速度的异步串口，支持连接到单片机的串行口，支持通讯波特率动态调整。

● 支持低功耗模式。

● 内置24K RAM，可用于以太网数据收发。每传输通道独立拥有2KB发送缓冲区和4KB的接收缓冲区。

● 提供LQFP64M和LQFP128无铅封装，兼容RoHS。

3 装配示意图

         如图所示，SF-NET子板的P5插座连接SF-CY3核心板的P3插座，SF-NET子板的P6插座用于连接网线。

4 实验效果展示图

         如图所示，这是使用labview调试工具进行以太网数据收发的界面。