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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。
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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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