基于ZYNQ的UDP实现

项目简述UDP简述PL端设计PS端设计下板测试总结

项目简述

前面的文章讲解了TCP客户机与主机在ZYNQ上面的实现，其实说白了就是调用现成的API函数，这点与FPGA的设计其安全不同，因为进行FPGA设计必须要完全理解底层才可以进行相应的设计。本篇博客我们将讲解ZYNQ实现UDP协议。关于UDP的理论部分，我们在使用FPGA实现的时候已经进行了完整的讲解，详细请查看基于FPGA的千兆以太网的实现，上面对UDP的特点、组包、CRC进行了详细的论证。这里建议大家一定要学习， 虽然即使不明白UDP原理也可以进行相应的学习，但是那样一来我们和嵌入式工程师相比就完全没了优势。

工程描述：讲ZYNQ当作UDP来进行与上位机通信，实现千兆网的循环测试。

本次实验所用到的软硬件环境如下： 1、VIVADO 2019.1 2、米联客MZ7015FA开发板 3、NetAssist网络调试助手

UDP简述

UDP不像TCP一样又三次握手甚至四次握手，UDP协议是不可靠传输，通常为了提高其可靠性会在其之上设计额外的传输协议， 并加上类似传输握手的功能。

用户数据报协议（UDP）：UDP（用户数据报协议）是一个简单的面向数据报的传输层协议。提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。UDP不提供可靠性，也不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能。它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。但由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

更加详细的论述请查看博主之前的博客。

PL端设计

童颜我们主要讲解的千兆网的ZYNQ实现，在PL段没有进行设计，所以我们PL端的设计没有任何代码只是例化了一个ZYNQ的IP，如下： 关于ZYNQ实现千兆网的三篇文章其实都是这个PL设计，一模一样。

PS端设计

这篇文章也用到了开源的系统框架，所以我们也需要设置BSP文件。 首先右击相应工程的bsp文件，选择Board Support Package Setting 然后点击相应的lwip 然后重新生成相应的bsp文件即可。

本例程使用 RAW API，即函数调用不依赖操作系统。传输效率也比 SOCKET API 高， (具体可参考 xapp1026)。 将 use_axieth_on_zynq 和 use_emaclite_on_zynq 设为 0。如下图所示。 修改 lwip_memory_options 设置，将 mem_size， memp_n_pbuf， mem_n_tcp_pcb， memp_n_tcp_seg 这 4 个参数 值设大，这样会提高 TCP 传输效率。如下图所示。 修改 pbuf_options 设置，将 pbuf_pool_size 设大，增加可用的 pbuf 数量，这样同样会提高 TCP 传输效率。如下 图所示。 修改 tcp_options 设置，将 tcp_snd_buf， tcp_wnd 参数设大，这样同样会提高 TCP 传输效率。如下图所示。 修改 temac_adapter_options 设置，将 n_rx_descriptors 和 n_tx_descriptors 参数设大。这样可以提高 zynq 内部 emac dma 的数据迁移效率，同样能提高 TCP 传输效率。如下图所示。 需要手动修改 LWIP 库让网口芯片工作于 1000Mbps。 其余选项的参数默认即可，不用修改。点击 OK，重建 bsp。 一般情况下，修改完会自动更新，如果没有更新，手动更新一下,选中 bsp—>右键—> Re-generate BSP Sources。重新生成一下 BSP 包。上面进行这样设置的原因是为了增加lwip的缓存，进而提高千兆网的通信速度。

这里的代码设计与UDP做Server的设计非常相似，这里总结出几个不同点，如下： 1、UDP协议没法设置发送中断，TCP设置了发送中断 2、UDP Server自动匹配port，UDP需要我们进行手动设置 3、UDP相应的发送函数udp_send并不是指向数据指针，而是一个网络变量，TCP则完全是个数据指针，并写上发送数据的长度，UDP的长度是依靠动态分配内存区间的大小，这里没有TCP灵活。 4、UDP代码不用每隔固定时间就开始测试连接是否正常，但是TCP网络需要，官方给出的代码是0.25s。

代码如下：

#include <stdio.h> #include "xscugic.h" #include "xparameters.h" #include "sleep.h" #include "xscutimer.h" #include "lwip/err.h" #include "lwip/udp.h" #include "lwip/init.h" #include "lwipopts.h" #include "netif/xadapter.h" #include "lwipopts.h" #include "lwip/priv/tcp_priv.h" #define GIC_ID XPAR_PS7_SCUGIC_0_DEVICE_ID #define TCP_RXBUFFER_BASE_ADDR 0x10000000 int initSwIntr(); int initudp(struct netif *netif); int udp_recv_init(); void udp_recv_callback(void *arg, struct udp_pcb *tpcb,struct pbuf *p, struct ip4_addr *addr, u16_t port); void send_received_data(); static XScuGic ScuGic; static XScuGic_Config * ScuGicCfgPtr; XScuTimer Timer; XScuTimer_Config *Config; volatile int TcpTmrFlag; int flag; int rec_cnt; static unsigned local_port = 5010; static unsigned remote_port = 8080; struct udp_pcb *connected_pcb; u8 *udp_rx_buffer; static struct pbuf *pbuf_to_be_sent = NULL; struct ip4_addr ipaddress; volatile u32 file_length; int main() { int status; struct netif *netif, server_netif; netif = &server_netif; status = initSwIntr(); status = initudp(netif); if(status != XST_SUCCESS){ return status; } udp_recv_init(); while(1){ xemacif_input(netif);//将MAC队列里的packets传输到你的LwIP/IP stack里 /* if connected to the server and received start command, * start receiving data from PL through AXI DMA, * then transmit the data to the PC using TCP * */ if(flag == 1) send_received_data(); } return 0; } int initSwIntr(){ int status; Xil_ExceptionInit(); ScuGicCfgPtr = XScuGic_LookupConfig(GIC_ID); status = XScuGic_CfgInitialize(&ScuGic,ScuGicCfgPtr,ScuGicCfgPtr->CpuBaseAddress); if(status != XST_SUCCESS){ return status; } Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,&ScuGic); Xil_ExceptionEnable(); return XST_SUCCESS; } int initudp(struct netif *netif){ struct ip4_addr ipaddr, netmask, gw; /* the mac address of the board. this should be unique per board */ unsigned char mac_ethernet_address[] = { 0x00, 0x0a, 0x35, 0x00, 0x01, 0x02 }; /*local ip address*/ IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 2, 10); IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0); IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 2, 1); /*lwip library init*/ lwip_init(); /* Add network interface to the netif_list, and set it as default */ if (!xemac_add(netif, &ipaddr, &netmask, &gw, mac_ethernet_address, XPAR_XEMACPS_0_BASEADDR)) { xil_printf("Error adding N/W interface\r\n"); return -1; } netif_set_default(netif); /* specify that the network if is up */ netif_set_up(netif); return XST_SUCCESS; } int udp_recv_init(){ err_t err; udp_rx_buffer = (u8 *)TCP_RXBUFFER_BASE_ADDR; connected_pcb = udp_new(); if (!connected_pcb) { xil_printf("txperf: Error creating PCB. Out of Memory\r\n"); return -1; } err = udp_bind(connected_pcb, IP_ADDR_ANY, local_port); /* connect to tcp server */ IP4_ADDR(&ipaddress, 192, 168, 2, 26); /* tcp server address */ err = udp_connect(connected_pcb, &ipaddress, remote_port); if (err != ERR_OK) { xil_printf("txperf: tcp_connect returned error: %d\r\n", err); return err; } udp_recv(connected_pcb, (udp_recv_fn)udp_recv_callback, NULL); return XST_SUCCESS; } void udp_recv_callback(void *arg, struct udp_pcb *tpcb,struct pbuf *p, struct ip4_addr *addr, u16_t port) { struct pbuf *q; u32 remain_length; flag = 1; q = p; rec_cnt = q->tot_len; /*if received ip fragment packets*/ if(q->tot_len > q->len){ remain_length = q->tot_len; file_length = 0; while(remain_length > 0){ memcpy(udp_rx_buffer + file_length, q->payload, q->len); file_length += q->len; remain_length -= q->len; /*go to next pbuf pointer*/ q = q->next; } } /*if received no ip fragment packets*/ else{ memcpy(udp_rx_buffer, q->payload, q->len); } //xil_printf("udp data come in!%d, %d\r\n", p->tot_len, p->len); pbuf_free(p); } void send_received_data(){ err_t err; flag = 0; struct udp_pcb *tpcb = connected_pcb; if(rec_cnt < 18){ pbuf_to_be_sent = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, 18, PBUF_POOL); memset(pbuf_to_be_sent->payload, 0, 18); } else{ pbuf_to_be_sent = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, rec_cnt, PBUF_POOL); } memcpy(pbuf_to_be_sent->payload, (u8 *)udp_rx_buffer, rec_cnt); err = udp_send(tpcb, pbuf_to_be_sent); if (err != ERR_OK){ xil_printf("Error on udp_send: %d\r\n", err); pbuf_free(pbuf_to_be_sent); return; } pbuf_free(pbuf_to_be_sent); }

上面的代码主要是API函数。因为用到了UDP接收中断，所以需要初始化GUI中断控制器： UDP协议的初始化如下： UDP协议的接收中断服务函数如下： UDP协议发送数据函数： 上面的的代码整体较简单，相信同学们可以详细阅读，参阅API函数的作用可以学会。

下板测试

我们利用NetAssist网络调试助手对其进行TCP循环测试，结果如下： 在经过限额是的时候也可以发现，该协议确实要比TCP协议快上一点。

总结

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