此篇为专栏《紫光同创FPGA开发笔记》的第八篇，同时也是 FPGA 以太网入门的第四篇，记录我的学习 FPGA 的一些开发过程和心得感悟，刚接触 FPGA 的朋友们可以先去此博客 《FPGA零基础入门学习路线》来做最基础的扫盲。

本篇内容基于笔者实际开发过程和正点原子资料撰写，将会详细讲解此 FPGA 实验的全流程，诚挚地欢迎各位读者在评论区或者私信我交流！

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet 控制报文协议。它是 TCP/IP 协议簇的一个子协议，用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

ICMP 使用 IP 的基本支持，就像它是一个更高级别的协议，但是，ICMP 实际上是 IP 的一个组成部分，必须由每个 IP 模块实现。

本文我们来学习如何使用 FPGA 开发板来实现 ICMP 测试的功能。

本文的工程文件开源地址如下（基于ATK-DFPGL22G，大家 clone 到本地就可以直接跑仿真，如果要上板请根据自己的开发板更改约束即可）：

https://github.com/ChinaRyan666/PDS_ICMP_TEST

本文的实验任务是电脑通过命令行窗口发送 ping 命令给 FPGA，FPGA 通过以太网接口接收数据并将接收到的数据发送给电脑，完成以电脑 ping 开发板的实验测试。

ICMP 协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它是一个非常重要的协议，它对于网络安全具有极其重要的意义。它属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到 IP 数据无法访问目标、IP 路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送 ICMP 消息。

ICMP 是 TCP/IP 模型中网络层的重要成员，与 IP 协议、ARP 协议、RARP 协议及 IGMP 协议共同构成 TCP/IP 模型中的网络层。ping 和 tracert 是两个常用网络管理命令，ping 用来测试网络可达性，tracert 用来显示到达目的主机的路径。ping 和 tracert 都利用 ICMP 协议来实现网络功能，它们是把网络协议应用到日常网络管理的典型实例。

从技术角度来说，ICMP 就是一个 “错误侦测与回报机制”，其目的就是让我们能够检测网路的连线状况，也能确保连线的准确性。当路由器在处理一个数据包的过程中发生了意外，可以通过 ICMP 向数据包的源端报告有关事件。

其功能主要有：侦测远端主机是否存在，建立及维护路由资料，重导资料传送路径（ICMP 重定向），资料流量控制。ICMP 在沟通之中，主要是透过不同的类别（Type）与代码（Code）让机器来识别不同的连线状况。

ICMP 是个非常有用的协议，尤其是当我们要对网路连接状况进行判断的时候。

以太网 ICMP 传输单包数据的格式如下图所示。从图中可以看出，以太网的数据包就是对各层协议的逐层封装来实现数据的传输。用户数据打包在 ICMP 协议中，ICMP 协议又是基于 IP 协议之上的，IP 协议又是走 MAC 层发送的，即从包含关系来说：MAC 帧中的数据段为 IP 数据报，IP 报文中的数据段为 ICMP 报文，ICMP 报文中的数据段为用户希望传输的数据内容。

接下来我们逐个来向大家介绍不同层的数据格式。

其中以太网的帧格式在本专栏《以太网ARP 测试实验》 中已经向大家作了详细的介绍，如果对以太网帧格式不熟悉的话，可以参考《以太网ARP 测试实验》 。

IP 协议（互联网分组交换协议）是 TCP/IP 协议簇中非常重要的一个协议，在本专栏《以太网UDP 测试实验》 中已经向大家作了详细的介绍，如果对 IP 协议不熟悉的话，可以参考《以太网UDP 测试实验》 中关于 IP 协议的介绍。

ICMP 报文包含在 IP 数据报中，属于 IP 的一个用户，IP 头部就在 ICMP 报文的前面，所以一个 ICMP 报文包括 IP 头部、ICMP 头部和 ICMP 报文，IP 头部的 Protocol 值为 1 就说明这是一个 ICMP 报文，如图 2.2 所示，ICMP 头部中的类型（Type）域用于说明 ICMP 报文的作用及格式，此外还有一个代码（Code）域用于详细说明某种 ICMP 报文的类型，所有数据都在 ICMP 头部后面。

ICMP 报文格式具体可以阅读 RFC 777、RFC 792 规范。

ICMP 数据格式如图 2.3 所示。

ICMP 首部共 8 个字节，同 IP 首部一样，也是一行以 32 位（4 个字节）为单位。

以 ICMP 请求报文为例，我们来看一下 ICMP 请求报文的封装格式。

这是我们刚才通过 ping 命令抓的 ICMP 协议包，其中 request 是 ICMP 请求数据报，reply 是 ICMP 回答数据报，另外 request 和 reply 是一组 ICMP 请求回答数据报。

我们再针对一组 ICMP 请求回答数据报分析两个 ICMP 数据报是否为一组。Type 的值为 8’h08 是请求类型报文如图 2.6 所示，Type 的值为 8’h00 是应答类型报文如图 2.7 所示，序列号（Sequence number）一致是同一组 ICMP 请求回答数据报。

下面我们来看一下，我们在用 ping 命令发送的 ping 包携带的是什么数据。

Data 就是刚才 ping 命令所发送的 ICMP 数据报文里的数据部分，这些数据是 ping 命令发送的测试内容，左侧部分是以十六进制表示，右侧部分就是我们所发送的数据部分，这些数据长度正好是 32 字节，一个字母代表一个字节。

图 3.1 是根据本章实验任务画出的系统框图。和本专栏《以太网UDP 测试实验》 相比，本实验只有替换 UDP 顶层模块。本次实验虽然实现的是 ICMP 通信，但保留了 ARP 顶层模块，这是由于上位机应用程序只知道接收端的目的 IP 地址和端口号，却不知道接收端的 MAC 地址，因此这里通过 ARP 协议来获取接收端的 MAC 地址，否则需要在发送端手动绑定接收端 MAC 地址，而手动绑定的方法较为繁琐，因此这里保留了 ARP 协议。

本次实验同时实现了 ARP 协议和 ICMP 协议，GMII 接收侧的引脚同时连接至 ARP 顶层模块和 ICMP 顶层模块，这个两个模块会分别根据 ARP 协议和 ICMP 协议解析数据。而 GMII 发送侧引脚只能和 ARP 顶层模块和 ICMP 顶层模块的其中一个连接，因此以太网控制模块会根据当前接收到的协议类型，选择切换 GMII 发送侧引脚和 ARP 顶层模块或者 ICMP 顶层模块连接。

除此之外，以太网控制模块根据输入的 ARP 接收的类型，控制 ARP 顶层模块返回 ARP 应答信号。

由上图可知，FPGA 顶层模块例化了以下五个模块，GMII TO RGMII 模块（gmii_to_rgmii）、ARP顶层模块（arp）、ICMP 顶层模块（icmp）、同步 FIFO 模块（sync_fifo_2048x32b）和以太网控制模块（eth_ctrl），实现了各模块之间的数据交互。

其中 GMII TO RGMII（gmii_to_rgmii）模块和 ARP 顶层模块（arp）在本专栏的 “以太网 ARP 测试实验” 中已经向大家作了详细的介绍，如果大家对这部分内容不熟悉的话，可以参考本专栏的 “以太网 ARP 测试实验” 。 本文我们重点介绍 ICMP 顶层模块（icmp），ICMP 顶层模块实现了整个以太网帧格式与 ICMP 协议的功能。

ICMP 顶层模块例化了 ICMP 接收模块（icmp_rx）、ICMP 发送模块（icmp_tx） 和 CRC 校验模块（crc32_d8）。

ICMP 接收模块（icmp_rx）： ICMP 接收模块较为简单，因为我们不需要对数据做 IP 首部校验也不需要做 CRC 循环冗余校验，只需要判断目的 MAC 地址与开发板 MAC 地址、目的 IP 地址与开发板 IP 地址是否一致即可。

接收模块的解析顺序是：前导码+帧起始界定符 → 以太网帧头 → IP 首部 → ICMP 首部 → ICMP 数据（有效数据） → 接收结束。

IP 数据报一般以 32bit 为单位，为了和 IP 数据报格式保持一致，所以要把 8 位数据转成 32 位数据，因此接收模块实际上是完成了 8 位数据转 32 位数据的功能。

ICMP 发送模块（icmp_tx）： ICMP 发送模块和接收模块比较类似，但是多了 IP 首部校验和和 CRC 循环冗余校验的计算。CRC 的校验并不是在发送模块完成，而是在 CRC 校验模块（crc32_d8）里完成的。

发送模块的发送顺序是：前导码+帧起始界定符 → 以太网帧头 → IP 首部 → ICMP 首部 → ICMP 数据（有效数据） → CRC 校验。

输入的有效数据为 32 位数据，GMII 接口为 8 位数据接口，因此发送模块实际上完成的是 32 位数据转 8 位数据的功能。

CRC 校验模块（crc32_d8）： CRC 校验模块是对 ICMP 发送模块的数据（不包括前导码和帧起始界定符）做校验，把校验结果值拼在以太网帧格式的 FCS 字段，如果 CRC 校验值计算错误或者没有的话，那么电脑网卡会直接丢弃该帧导致收不到数据（有些网卡是可以设置不做校验的）。

CRC32 校验在 FPGA 实现的原理是 LFSR（Linear Feedback Shift Register，线性反馈移位寄存器），其思想是各个寄存器储存着上一次 CRC32 运算的结果，寄存器的输出即为 CRC32 的值。

其中 CRC 校验模块和 ARP 模块例化的校验模块完全相同，这里我们重点介绍 ICMP 接收模块和 ICMP 发送模块。

ICMP 接收模块按照 ICMP 的数据格式解析数据，并实现将 8 位用户数据转成 32 位数据的功能。由 ICMP 的数据格式可知，解析 ICMP 数据很适合使用状态机来实现，图 3.2 为 ICMP 接收模块的状态跳转图。

接收模块使用三段式状态机来解析以太网包，从上图可以比较直观的看到每个状态实现的功能以及跳转到下一个状态的条件。这里需要注意的一点是，在中间状态如前导码错误、MAC 地址错误以及 IP 地址错误时跳转到 st_rx_end 状态而不是跳转到 st_idle 状态。

因为中间状态在解析到数据错误时，单包数据的接收还没有结束，如果此时跳转到 st_idle 状态会误把有效数据当成前导码来解析，所以状态跳转到 st_rx_end。而 eth_rxdv 信号为 0 时，单包数据才算接收结束，所以 st_rx_end 跳转到 st_idle 的条件是 eth_rxdv = 0，准备接收下一包数据。

因为代码较长，只粘贴了第三段状态机的接收数据状态和接收结束状态源代码，代码如图 3.3 所示 。

st_rx_data 状态表示接收 ICMP 的有效数据，程序中的 6~15 行代码将接收的 8 位数据转换位 32 位数据，16~31 行代码是将接收的相邻两个 8 位数据拼接成一个 16 位数据，并将拼接的 16 位数据进行累加得都到一个 32 位的累加和 reply_checksum_add。在接收完有效数据后，拉高rec_pkt_done（单包有效数据接收完成）信号，如程序中第 36 行代码所示。

Icmp 的仿真代码如下所示。