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基于FPGA的TCP/IP数据通信的设计与应用

作 者: 谢喆
导 师: 王耀青
学 校: 武汉科技大学
专 业: 电路与系统
关键词: FPGA TCP/IP 数据通信 网络
分类号: TN919.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


随着信息技术与网络技术的飞速发展,在音频视频、智能交通、工业控制、航天测控等领域,对网络数据传输处理速度的要求越来越高。传统的基于CPU软件实现TCP/IP协议的处理方式,无论是在处理速度,还是稳定性方面,都无法与基于硬件的实现相比,而且基于软件的实现会占用大量的CPU资源、浪费存储空间。当网络通信的速度达到吉比特数量级时,这种基于CPU软件实现TCP/IP协议的处理方式就很难完成要求。其成本与稳定性将会大大的制约这种处理方式。通过硬线逻辑实现的TCP/IP协议,能够大大提高数据的传输处理能力。而FPGA(Field Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)内部具有丰富的可编程逻辑资源,通过硬件描述语言Verilog或VHDL,能够在FPGA中实现各种复杂的硬线逻辑。通过FPGA实现的TCP/IP协议模块,由于它是功能专用的硬件模块,其处理速度非常高,数据通信速度能达到10G以上,这是传统的基于CPU软件实现方案所很难达到的。而且FPGA作为一种可编程的器件,能够通过灵活的编程,来满足用户不断变化的需求。现在,FPGA开发工具种类繁多、智能化高、功能强大,应用各种工具可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能。而且还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、在线调试等功能,这使FPGA的开发周期比较短,产品上市时间快。而且随着FPGA的不断发展,其规模不断加大,成本不断降低,并且还能将各种功能模块做成具有知识产权的IP核,这样非常方便功能模块的移植。本论文就是在这种背景下,借助于功能强大的设计综合软件Xilinx ISE以及仿真软件Modelsim等开发出来的。于此同时,我所学到的知识也得到了理论联系实际的目的。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 研究背景  9
  1.2 TCP/IP的发展概况  9-10
  1.3 FPGA 开发流程  10-11
  1.4 论文的主要工作  11-12
  1.5 论文的章节介绍  12-13
第二章 TCP/IP协议简介  13-25
  2.1 引言  13
  2.2 TCP/IP协议的体系结构  13-16
    2.2.1 TCP/IP协议栈  13-14
    2.2.2 TCP/IP通信过程  14-15
    2.2.3 TCP/IP数据包的封装  15
    2.2.4 TCP/IP数据包解封装  15-16
  2.3 以太网的数据链路层  16-17
    2.3.1 MAC 帧格式  16-17
    2.3.3 CSMA/CD协议  17
  2.4 网络层协议  17-20
    2.4.1 IP协议  18-19
    2.4.2 ARP 协议  19-20
    2.4.3 ICMP协议  20
  2.5 运输层协议  20-24
    2.5.1 UDP 协议  20-21
    2.5.2 TCP 协议  21-24
  2.6 本章小结  24-25
第三章 TCP/IP协议栈的FPGA设计  25-30
  3.1 模块划分  25-27
  3.2 控制与状态寄存器  27
  3.3 TCP 模块  27-28
  3.4 UDP 模块  28
  3.5 IP模块  28-29
  3.6 ICMP模块  29
  3.7 ARP 模块  29
  3.8 本章小结  29-30
第四章 MAC控制器的FPGA设计  30-44
  4.1 简述  30-31
  4.2 以太网MAC 发送模块  31-37
    4.2.1 CRC模块(eth_crc32)  31-32
    4.2.2 随机数生成模块(rand_gen)  32-34
    4.2.3 计数模块  34
    4.2.4 发送状态机  34-37
  4.3 以太网MAC 接收模块  37-40
  4.4 MAC 状态寄存器  40
  4.5 以太网MAC 控制模块  40
  4.6 MII管理模块  40-42
  4.7 时钟模块  42
  4.8 MAC 与网络层接口模块  42-43
  4.9 本章小结  43-44
第五章 系统实现  44-47
  5.1 系统功能结构图  44
  5.2 仿真与实现  44-46
    5.2.1 发送数据仿真  45
    5.2.2 接收数据仿真  45-46
    5.2.3 板级验证  46
  5.3 本章小结  46-47
第六章 总结与展望  47-48
  6.1 总结  47
  6.2 展望  47-48
参考文献  48-50
研究生期间发表论文  50-51
致谢  51-52
详细摘要  52-56

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 数据通信 > 数据通信网
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