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FPGA实现以太网通信可以这么简单（以太网视频传输）_fpga网口通信

网友: 技术文档 2025-07-26 21:05:24

一、fpga实现以太网通信有以下几种方案

        fpga想同外部的主机通过以太网进行通信，一般采用以下方案：

        1、外部CPU桥接方案。即网口通过主机cpu再同fpga通信，网络协议运行在CPU上。缺点是以太网通信速度由CPU处理速度决定，当cpu处理速度跟不上时，容易导至缓存溢出。因此带宽利用率低。

        2、网络协议硬核桥接芯片方案。例如W5500芯片等。但是这种方案网络带宽利用率还是不高。同时设计灵活度低，适合与低速单片机配合使用。

        3、fpga RTL逻辑实现方案。这样就能充分发挥FPGA流水线并行处理速度，也不会出现因数据处理不及时而导致缓存溢出，造成丢包。因此理论上可接近线速带宽利用率，实测可达95%以上。

二、以太网视频传输方案设计

        播放视频参数如下：

  • 视频帧率：24帧/秒；
  • 分辨率：1280*720；
  • 数据格式为RGB16，每个像素占2字节；

        传输速度：24帧/秒 × 2字节/像素 × 1280×720像素 = 42.2MB/S ，这速度小于1G以太网的带宽882MB/S（1G以太网实际速度带宽测试），因此普偏使用的1G以太网进行传输。

        采用RTL逻辑实现的第三种方案，确保传输可靠性。方案整体架构如下：

        

时序控制流程

  1. UDP IP核接收视频流数据包
  2. 数据经过协议解析后写入DDR3缓存
  3. DMA控制器按帧周期读取视频数据
  4. HDMI发送器从DMA获取数据并进行编码
  5. 显示器接收TMDS信号完成图像显示 

三、UDP协议FPGA IP Core

        幻智星科技开发的UDP协议IP Core运行在FPGA逻辑层，主要功能特性如下：

  • 支持千兆以太网物理层接口
  • 实现UDP协议栈硬件加速
  • 内置数据校验和错误重传机制（确保udp数据包不丢包）

        IP Core 详细介绍请点击链接： DMA/Bridge Subsystem for Ethernet Interface

         接口说明：

  1. I2C接口外接EEprom芯片，目的是为了在量产时，能动态设置MAC地址和IP地址；
  2. axi_lite接口是低速总线，一般访问外部模块内部配置寄存器，IO口等；
  3. axi_full接口是高速总线，一般外接可以突发传输的缓存模块，例如ddr3、ddr4、blockRAM等缓存。
  4. sys_clk 输入时钟选择，同网口速度有关，1G网口时为125M；
  5. m_axilite_clk , m_axi_clk可以选用各自的合适的时种频率。在本项目中使用100M时钟。

        同ip核配套提供的动态链接库接口函数：

  

// Company: 幻智星科技// Engineer: 俞工// email: yupc123@qq.comtypedef void (*FuncPtr_Irq)();typedef void *MHANDLE;extern \"C\" int mstar_ethbridge_open(const char* strip);extern \"C\" void mstar_ethbridge_close();extern \"C\" int axilite_read(MHANDLE phdev,uint32_t address, uint8_t* pbuf, size_t buflen);extern \"C\" int axilite_write(MHANDLE phdev,uint32_t address, uint8_t* pbuf, size_t buflen);extern \"C\" int axifull_read(MHANDLE phdev,uint64_t address, uint8_t* pbuf, size_t buflen);extern \"C\" int axifull_write(MHANDLE phdev,uint64_t address, uint8_t* pbuf, size_t buflen);extern \"C\" int register_irqfun(MHANDLE phdev, int irq_number, FuncPtr_Irq funinterupt);extern \"C\" MHANDLE get_device_ip(const char * strip);extern \"C\" MHANDLE get_device(size_t index);extern \"C\" MHANDLE get_device_mac(const char* strmac);extern \"C\" size_t get_udpclient_size();extern \"C\" int get_device_strip(MHANDLE phdev, char* strip, size_t strlen);extern \"C\" int get_device_strmac(MHANDLE phdev, char* strmac, size_t strlen);

 在Xilinx Artix-7 系列fpga 上逻辑资源使用情况如下图：

       测试报告链接：基于fpga的1000M以太网UDP双向传输测试(三) 发送速度达到882Mbps

        实测收发速度如下图： 

四、Frame DMA 读控制逻辑

        直接内存访问控制器(DMA)实现高效数据传输，支持突发传输模式、数据预取机制和图像缓存双缓冲管理等特性，并在在场信号标志使能下自动起动DMA传输。下图为模块示意图：

        接口说明：

  1.  S_AXILITE：为从axi_lite总线接口，同udp协议IP核的低速总线axi_lite接口相连。
  2.  M_AXI：为主axi_full 总线接口，同DDR3控制器相连，是读取视频帧的dma通道。
  3. read_req/read_req_ack：是一对读申请握手信号，frame_rdma 收到此信号扣，起动读dma传输。
  4. video_read_dat/video_read_en：是读取的视频数据流。
  5. video_left_offset/video_top_offset：表示视频图像左上角在显示屏上的坐标。可动态设置。
  6. video_width/video_height：表示视频图像的宽和高。可动态设置。

五、hdmi接口逻辑

        hdmi接口逻辑的功能就是把视频图像数据(RGB格式)通过hdmi接口发送出去。下图为模块示意图：

        接口说明：

  1. video_clk：本项目选用频率为62.5M的时钟，刷新率为60帧/S；
  2. video_serclk：是video_clk的5倍频率，即：312.5M； 

六、视频传输项目电路图 

        vivado 工程的模块整体连接图如下图：

图比较大，看起来不清楚，给几张局部放大图。

        各模块地址分配情况：        

 七、QT编写的测试APP

        QT APP界面图：

        frame_rdma部份初始化代码：

// Company: 幻智星科技// Engineer: 俞工// email: yupc123@qq.com#include \"MstarEthBridge.h\"#define DMA_DDR_BASEADDR 0L#define DMA_DDR_BUFFSIZE 0x8000000 //128M#define MSTAR_DISPDMA_CONRGE_BASEADDRESS 0x0100#define MSTAR_DISPDMA_CONRGE_ID 0x10001#define ADDR_FRAME_ID 0#define ADDR_FRAME_CON  (ADDR_FRAME_ID+4)#define ADDR_FRAME_STPOINT  (ADDR_FRAME_CON+4)#define ADDR_FRAME_IMAGESIZE (ADDR_FRAME_STPOINT+4)#define ADDR_FRAME_DMASIZE (ADDR_FRAME_IMAGESIZE+4)#define ADDR_FRAME_BUFFERADDR (ADDR_FRAME_DMASIZE+4)#define FRAME_WIDTH_MAX 1280#define FRAME_HIGHT_MAX 720#define DMA_ADDRESS_BURST_MAX (4096) //dma one read/write length max, the buffer size#define DMA_FRAMBUF_NUMMAX 3#pragma pack(push, 4)struct dispframe_st { uint32_t id; uint32_t control; //eeprom 地址 uint16_toffset_top;//读写数据buf寄存器 uint16_t offset_left; uint16_t frame_hight; uint16_t frame_width; uint32_t frame_size; uint32_t frame_num;};#pragma pack(pop)class MstarDispFrame : public QThread{ Q_OBJECTpublic: MstarDispFrame(QObject *parent = nullptr, uint32_t devid=MSTAR_DISPDMA_CONRGE_ID, uint32_t dev_baseaddress=MSTAR_DISPDMA_CONRGE_BASEADDRESS,  size_t baseaddr=DMA_DDR_BASEADDR,size_t bufsize=DMA_DDR_BUFFSIZE,  uint16_t disp_width=FRAME_WIDTH_MAX, uint16_t disp_hight=FRAME_HIGHT_MAX); ~MstarDispFrame() {m_stop=true; }; bool dispframeInit(MHANDLE devhandle); void set_dmabuffer_baseaddr(size_t baseaddr,size_t bufsize); //设置缓存 int set_frame_offset(uint16_t offset_left, uint16_t offset_top);//显示位置 int set_frame_size(uint16_t frame_width, uint16_t frame_hight); void set_disp_size(uint16_t disp_width, uint16_t disp_hight); //显示屏大小 void push(QImage &img); void ethsend(QImage &img); void init_videotimer(); void frame_cnt_inc(); void fun_sendth(); void video_pause(); void video_play();protected: void run();private: MHANDLE m_handle; uint32_t m_baseaddr; uint32_t m_id; dispframe_st m_reginfor; size_t m_dmabuf_baseaddr; size_t m_dmabufsize; uint16_t m_disp_width; uint16_t m_disp_hight; size_t m_framebuf_size; size_t m_framebuf_num; size_t m_framebuf_nummax; QImage m_logo; QQueue m_image_qu; size_t m_framecnt;//帧计数器 QElapsedTimer m_videotimer; qint64 m_pretimercnt=0; QElapsedTimer m_ethsendtimer; qint64 m_ethsendcnt=0; qint64 m_imgsendtime=0; bool m_stop=false; float get_framerate(); float get_ethspeed(); //QFuture m_future; void dma_rst();};

调用动太链接库发送视频的代码：

// Company: 幻智星科技// Engineer: 俞工// email: yupc123@qq.comvoid MstarDispFrame::ethsend(QImage &img){ if(m_handle==nullptr) return; frame_cnt_inc(); float temp=get_framerate(); float webspeed=get_ethspeed();//(temp*img_t.sizeInBytes()/1024/1024); QString str_framerate=QString::asprintf(\"视频帧率：%.1f帧/秒 网口速率：%.2f MB/秒 发送队列:%d 单帧时间%dms\",temp,webspeed,m_image_qu.size(),m_imgsendtime); QPainter painter(&img); painter.drawImage(5,5,m_logo); painter.setFont(QFont(\"Arial\",20)); painter.setPen(Qt::red); painter.drawText(15+m_logo.width(),m_logo.height(),\"幻智星科技\"); painter.drawText(240,75,str_framerate); painter.setFont(QFont(\"Arial\",30)); painter.setPen(Qt::green); painter.drawText(360,190,\"UDP协议FPGA IP核\"); painter.drawText(359,191,\"UDP协议FPGA IP核\"); painter.setPen(Qt::white); painter.drawText(358,192,\"UDP协议FPGA IP核\"); painter.setPen(Qt::green); painter.setFont(QFont(\"Arial\",20)); painter.drawText(260,230,\"DMA/Bridge Subsystem for Ethernet Interface 是把以太网UDP／ＩＰ协议用\"); painter.drawText(200,260,\"纯逻辑实现的 FPGA IP Core，已在数据采集，喷印设备及工业视觉等场景中应用。\"); painter.drawText(260,290,\"1、纯RTL逻辑实现：适用不同速度的以太网接口；\"); painter.drawText(260,320,\"2、支持AXI4接口：支持AXI_lite、AXI_full、AXI_stream 等；\"); painter.drawText(260,350,\"3、高读/写带宽：1000M以太网接口读写实测速度达882Mbps；\"); painter.drawText(260,380,\"4、快速上手，技术支持，方便适配国产FPGA；\"); painter.setFont(QFont(\"Arial\",30)); QFont font= painter.font(); font.setBold(true); painter.setFont(font); painter.setPen(Qt::red); painter.drawText(200,450,\"优点：不易丢包，更低成本，加速研发，稳定易用！\"); painter.setPen(Qt::green); font.setBold(false); painter.setFont(font); painter.setFont(QFont(\"Arial\",20)); painter.drawText(450,500,\"电话 俞先生：13867435883 蒋先生：13452942803\"); painter.end(); if(set_frame_size(img.width(),img.height())=m_framebuf_nummax) m_framebuf_num=0;}

八、项目运行效果视频

UDP协议FPGA IP Core 视频传输稳定性测试

        再上传几张照片 可以看清楚测试结果：

九、UDP数据包截图

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