基于FPGA的UDP硬件协议的设计

基于FPGA的UDP硬件协议的设计(任务书,开题报告,外文翻译,论文15500字)
摘 要
通信时需要传输的内容多少、每秒传输数据字节数及传输数据最终正误率是数据通信比较重要的几个指标。由此通信方式也被划分不同的种类。由于软件协议实现占用资源多、实时性较差，不适用于系统资源较少、实时性要求很高的场合，所以本文主要针对通信数据量大、通信速率高及通信可靠性要求不是很高的应用场合，提出了在由物理PHY芯片LAN91C111和现场可编程门阵列（FPGA）搭好的这个平台中进行该UDP/IP协议的设计方案。全文介绍了硬件平台单元电路的芯片选型及设计，整合了各个功能模块，在ALTERA公司开发的Stratix II硬件开发平台上测试了UDP/IP协议系统的通信性能。最终结果证实了该方案的可行性，通过网口抓包工具验证了数据的封包和解包都遵循以上准则。在FPGA平台上实现了硬件UDP协议，不仅可移植性高而且便于系统集成，很适用于大数据量传输的场合。
关键字：现场可编程门阵列；以太网；UDP/IP；协议
Abstract
The amount of communication data, the communication speed and reliability of communication are important indicators of data communication. Thus communication can be divided in different species. The software protocol implementation takes up more resources, poor real-time performance, dose not apply to fewer system resources and high real-time requirements of occasions. For application of large amount of communication data, high communication rate and low reliability requirements, this design presents hardware implementation of UDP/IP agreement on the hardware platform which takes design scheme of a physical PHY chip LAN91C111 and FPGA. The paper introduces the chip selection and design of hardware circuit unit and the integration of the various functional modules. The communication performance of UDP/IP system has be tested in Stratix II hardware development platform developed by ALTERA. The communication results show that the feasibility of the scheme. The network export tool verified that the data packet capture and unpacking follow the standard UDP/IP protocol on the FPGA platform. The hardware implementation of the UDP protocol can be transplanted. And it is convenient for system integration, and it is suitable for the occasion of large data transmission. [来源：http://Doc163.com]
Keywords: FPGA; Ethernet; UDP/IP protocol; Stack
 
论文主要内容和结构安排
本文的主要工作是利用FPGA实现UDP硬件协议。它以FPGA为控制芯片，利用Verilog HDL硬件描述语言设计了UDP协议中的核心部分，包括物理层芯片驱动、发送编码器、接收解码器和全局控制模块。在模块设计完成后，还搭建了实现系统的硬件平台，将程序下载入设计好的开发板，将网线和PC相接，借由调试助手与WireShark抓包工具，验证了功能的实现情况。
主要内容如下：
第一章主要阐述基于FPGA的UDP硬件协议的研究出发点及意义，描述全方位当前研究的形势，最后描述整个论文内容安排；
第二章具体阐述了硬件协议实现相关的理论知识，包括FPGA硬件组成、开发流程、UDP/IP协议体系组成、工作原理及模块结构；
第三章具体展开硬件协议的设计方法及实现路径，分别阐述硬件电路的研究和功能模块的研究。硬件电路的设计包括FPGA最小系统其组成及各模块之间电路研究与物理层芯片的选型及外围方面的研究。软件实现主要分为四个模块：物理层芯片驱动、发送编码器、接收解码器及全局控制模块；
第四章展示了UDP硬件协议实现的结果及测试，将程序下载到设计好的硬件开发板，然后用网线将PC与开发板相连，通过网口调试助手和抓包工具wireshark测试核心模块的连接正确性、数据传输正确性及传输速度；

第五章对设计进行了总结与展望。
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目  录
1    绪论    1
1.1    研究的目的及意义    1
1.2    国内外研究现状    1
1.3    论文内容安排    2
2    嵌入式FPGA以太网理论知识    4
2.1    嵌入式系统基础知识    4
2.1.1    FPGA硬件构成    5
2.1.2    FPGA开发流程    6
2.2    UDP协议理论知识    8

2.2.1    UDP/IP协议概述    8
2.2.2    UDP/IP体系组成    8
2.2.3    UDP/IP工作原理    4
2.2.4    UDP/IP模块结构    11
3    UDP硬件协议设计    14
3.1    实现协议栈的硬件平台选型    14
3.1.1    现场可编程门阵列    14
3.1.2    物理层收发器    14
3.2    硬件设计    15
3.2.1    FPGA最小系统    15
3.2.2    网口芯片外围电路    17
3.3    功能模块设计    18
3.3.1    LAN91C111驱动部分    20
3.3.2    接收解码器    23
3.3.3    发送编码器    24
3.3.4    全局控制模块    27
4    UDP硬件协议实现结果与测试    29
4.1    建立连接的测试    29
4.2    数据传输正误测试    29
4.3    数据传输速度测试    33
5    总结与展望    35
5.1    论文工作总结    35
5.2    研究工作展望    35
参考文献    36
附录    38
致 谢    44

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