一、簡介

使用以太網接口實現PC和FPGA的通信，相對于串口而言，具有更高的傳輸速度。采用以太網接口的目的在于，在一定技術要求下，實現PC機和FPGA的實時數據傳輸。從而可以借助PC機強大的計算能力，降低FPGA的運算負擔。

成都浩然電子有限公司開發的網絡模塊HS-NM5300A，作為實現以太網通信的主要元件。模塊以韓國Wiznet公司開發W5300A為關鍵芯片。模塊一端為RJ45，通過網絡交叉線與PC機相連；另一端為外部總線，與FPGA的IO相連。模塊內嵌10BaseT/100BaseTX的以太網物理層，支持自動握手功能，支持固件TCP/IP協議，通信理想速率可達到50Mbps。

W5300A接收PC機發來的數據包，進行協議解析，并將傳輸的數據保存在其內部寄存器中，或者將寄存器內的數據打包封裝發送到以太網上。FPGA通過外部總線，訪問W5300A的寄存器，從而對W5300A進行配置、查詢數據包是否到來、收取/發送通信數據等等。

二、FPGA與W5300A的硬件連接

FPGA與W5300A的外部總線連接如下圖所示（ref:W5300_v1.2.2_english，115-115）。

FPGA和W5300的連線，我們稱之為外部總線。FPGA為外部總線的主機，W5300為從機。通過外部總線，可以實現FPGA對W5300的讀/寫。圖中DATA為十六位數據線，ADDR為10位地址線，WR為寫使能，RD為讀使能，CS為片選使能，INT為中斷請求。

三、外部總線的工作時序

要使W5300正確讀入/輸出數據，外部總線上各信號電平應滿足一定的時序要求。讀時序如下圖所示(ref:P120-122)：

圖中PLL_CLK為W5300A的內部時鐘，頻率為15OMHz。

四、FPGA程序實現

（1）FPGA網口通信模塊的頂層結構如下圖所示：

BusDriver是核心模塊，驅動外部總線和RX_FIFO的寫使能以及TX_FIFO的讀使能。RX_FIFO和TX_FIFO是兩個16位的先進先出存儲器。在FPGA內部，可以通過讀取RX_FIFO的數據，寫TX_FIFO實現與以太網的數據交換。

（2）接口定義

注：表中第五列“位置”，標示該信號線應連接至FPGA內部信號或者FPGA外部信號。

（3）TCP工作模式

PC機與W5300A通信采用TCP協議。對于TCP模式，通信的一方根據IP地址和端口號與對端建立SOCKET連接。再通過指定的SOCKET發送和接收數據。建立SOCKET的連接有兩種方式：“TCP服務器”和“TCP客戶端”。區別在于誰首先發送連接請求（SYS數據包）。“TCP服務器”等待對端的連接請求，當收到連接請求時建立SOCKET連接（被動打開）。“TCP客戶端”主動發出連接請求，與對端建立連接（主動打開）。出于方便考慮，由PC端發起連接，設定PC端為TCP客戶端，W5300A為TCP服務端。通信流程如下圖所示(ref：90)。

圖中的LISTEN、ESTALISHED、CLOSED為對應SOCKET的狀態。對W5300A的SOCKET正確地初始化（OPEN）后，SOCKET處于LISTEN狀態，對網絡進行偵聽。當收到客戶端發來的連接請求（SYS數據包），變為ESTABLISHED狀態，此時客戶端和服務器可以進行數據通信。當服務器斷開連接或者收到客戶端發來的斷開請求（FIN數據包），W5300A相應的SOCKET狀態變為CLOSED。服務器SOCKET更為詳細的狀態轉換過程可以參考W5300A手冊77頁。

（4）busdriver模塊的工作流程

busdriver通過外部總線對網絡芯片進行復位和數據交換。通過訪問W5300A的寄存器，實現網絡芯片的配置、監控、數據收/發。同時，busdriver監視FIFO，如果RX_FIFO則暫緩收數；如果TX_FIFO不空則發送數據。Busdriver的工作流程如下圖所示。

圖中，重置芯片是指：對芯片硬件復位、軟件復位；基本配置包括：配置 W5300A的MAC地址、IP地址、子網掩碼、網關地址，分配W5300A的存儲空間，中斷設置等等。中斷服務程序主要是讀取芯片的中斷寄存器，獲取中斷類型，并復位中斷寄存器。值得注意的是，上圖所示的流程是查詢方式而不是中斷方式。啟動SOCKET的程序主要是：設置SOCKET端口號，工作模式（TCP服務器端），打開SOCKET、開始偵聽等等。

（5）以太網通信的程序實現

考慮到處理器是FPGA，采用VHDL語言描述圖中所示流程。與C語言順序為執行不同，VHDL基于硬件結構、并發執行。圖中用C語言可以很方便地描述出來，但是要在FPGA里面實現，則需要靈活運用狀態機以控制其流程，且要盡力避免競爭和險象。限于正文篇幅，源程序在附錄中給出。