1.ARP协议简介
ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，是根据IP地址（逻辑地址）获取MAC地址的一种TCP/IP协议。在以太网通信中，数据是以“帧”的格式进行传输的，帧格式里面包含目的主机的MAC地址。
源主机的应用程序知道目的主机的IP地址，却不知道目的主机的MAC地址。而目的主机的MAC地址直接被网卡接收和解析，当解析到目的MAC地址非本地MAC地址时，则直接丢弃该包数据，因此在通信前需要先获得目的MAC地址，而ARP协议正是实现了此功能。
ARP协议的基本功能是通过目的主机IP地址，获取目的主机的MAC地址，以保证通信的顺利进行。MAC地址在网络中表示网卡的ID，每个网卡都需要并有且仅有一个MAC地址。在获取到目的MAC地址之后，将目的MAC地址更新至ARP缓存表中，称为ARP映射。下次通信时，可以直接从ARP缓存表中获取，而不用重新通过ARP获取MAC地址。但一般ARP缓存表会有过期时间，过期后需要重新通过ARP协议进行获取。
ARP映射是指将IP地址和MAC地址映射起来，分为静态映射和动态映射。
ARP工作流程如下:
假设主机A和B在同一个网段，主机A要向主机B发送信息，具体的地址解析过程如下：
(1) 主机A首先查看自己的ARP表，确定其中是否包含有主机B对应的ARP表项。如果找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机B。
(2) 如果主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，然后以广播方式发送一个ARP请求报文。
ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为主机A的IP地址和MAC地址，目标IP地址和目标MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。
由于ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的所有主机都可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。
(3) 主机B比较自己IP地址和ARP请求报文中的 目标IP 地址，当两者相同时进行如下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入自己的ARP表中。
之后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了自己的MAC地址。
(4) 主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到自己的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。
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2.ARP协议实现
2.1接收部分：
接收部分采用一个状态机来实现，其状态转换图如下所示：
开始状态机处于IDLE状态，当检测到第一个8’h55的时候进入PREAMBLE状态，即接收前导码和SFD，与此同时我们对接收数据进行计数，当计数器计数到6时检测此时接收的数据是不是8’hd5，如果是进入接收帧头状态；否则，进入接收终止状态。接收帧头状态的跳转也和PREAEBLE状态的跳转情况差不多，只不过此时需要检测接受到的以太网类型，而以太网类型是两字节，因此需要先接收高位，再进行对比。ARP_DATA状态的跳转则需要检测接受到的目的ip地址与开发板的ip地址是否相同并且还要检测操作码是否有效。当接收完单包数据后下一个时钟周期跳转到IDLE状态。
整体的实现还是比较简单的，利用一个状态机就能完成，但是需要对以太网帧格式比较熟悉。具体实现代码如下：
`timescale 1ns / 1psmodule ARP_RX#(parameter BOARD_MAC = 48'h00_11_22_33_44_55 , //开发板MAC地址parameter BOARD_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd10} //开发板IP地址
)(//systeminput clk , //系统时钟input rst_n , //系统复位//inputinput gmii_rx_dv , //接收数据有效信号input [7:0] gmii_rxd , //接收数据//outputoutput reg arp_rx_done , //ARP接收完成信号output reg arp_rx_type , //ARP接收类型0：请求 1：应答output reg [47:0] src_mac , //输出接收到的源MAC地址output reg [31:0] src_ip //输出接收到的源IP地址
);parameter IDLE = 5'b0_0001 ; //空闲状态parameter PREAMBLE = 5'b0_0010 ; //接收前导码和SFDparameter ETH_HEAD = 5'b0_0100 ; //帧头parameter ARP_DATA = 5'b0_1000 ; //接收ARP数据parameter RX_DONE = 5'b1_0000 ; //接收CRC校验数据parameter ETH_TPYE = 16'h0806 ; //以太网帧类型reg state_en ; //状态跳转使能信号reg [4:0] cur_state ; //现态reg [4:0] next_state ; //次态reg error_flag ; //错误指示信号reg [47:0] des_mac_t ; //目的MAC地址reg [31:0] des_ip_t ; //目的ip地址reg [47:0] src_mac_t ; //源MAC地址reg [31:0] src_ip_t ; //源ip地址reg [4:0] cnt ; //解析数据计数器reg [15:0] eth_type ; //以太网类型reg [15:0] op_data ; //操作码//三段式状态机第一段always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cur_state <= IDLE;else cur_state <= next_state;end//三段式状态机第二段always @(*) beginnext_state = IDLE;casex (cur_state)IDLE:beginif(state_en)next_state = PREAMBLE;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = IDLE;end PREAMBLE:beginif(state_en)next_state = ETH_HEAD;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = PREAMBLE;endETH_HEAD:beginif(state_en)next_state = ARP_DATA;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = ETH_HEAD; endARP_DATA:beginif(state_en)next_state = RX_DONE;else if(error_flag)next_state = RX_DONE;elsenext_state = ARP_DATA;endRX_DONE:beginif(state_en)next_state = IDLE;elsenext_state = RX_DONE;enddefault: next_state = IDLE;endcaseend//三段式状态机第三段always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)beginstate_en <= 1'b0;cnt <= 6'd0;error_flag <= 1'b0;des_mac_t <= 48'd0;des_ip_t <= 32'd0;src_mac_t <= 48'd0;src_ip_t <= 32'd0; eth_type <= 16'd0;op_data <= 16'd0;arp_rx_done <= 1'b0;arp_rx_type <= 1'b0;src_mac <= 48'd0;src_ip <= 32'd0;endelse beginstate_en <= 1'b0;arp_rx_done <= 1'b0;error_flag <= 1'b0;case (next_state)IDLE:begin//接收到第一个8'h55if((gmii_rx_dv == 1'b1) && (gmii_rxd == 8'h55))state_en <= 1'b1;else;end PREAMBLE:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if((cnt < 5'd6) && (gmii_rxd !=8'h55))error_flag <= 1'b1;else if(cnt == 5'd6)begincnt <= 5'd0;if(gmii_rxd == 8'hd5)state_en <= 1'b1;elseerror_flag <= 1'b1; endendelse;endETH_HEAD:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if(cnt < 5'd6)des_mac_t <= {des_mac_t[39:0],gmii_rxd};//接收源MAC地址else if(cnt == 5'd6)beginif((des_mac_t != BOARD_MAC) && (des_mac_t != 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff))error_flag <= 1'b1;else;endelse if(cnt == 5'd12)eth_type[15:8] <= gmii_rxd;else if(cnt == 5'd13)begincnt <= 5'd0;eth_type[7:0] <= gmii_rxd;if(eth_type[15:8] == ETH_TPYE[15:8] && gmii_rxd == ETH_TPYE[7:0])state_en <= 1'b1;elseerror_flag <= 1'b1;end else;endelse;endARP_DATA:beginif(gmii_rx_dv)begincnt <= cnt + 1'b1;if(cnt == 5'd6)op_data[15:8] <= gmii_rxd;else if(cnt == 5'd7)op_data[7:0] <= gmii_rxd;//操作码else if(cnt >= 5'd8 && cnt < 5'd14)src_mac_t <= {src_mac_t[39:0],gmii_rxd};//源MAC地址else if(cnt >= 5'd14 && cnt < 5'd18)src_ip_t <= {src_ip_t[23:0],gmii_rxd};//源ip地址else if(cnt >= 5'd24 && cnt < 5'd28)des_ip_t <= {des_ip_t[23:0],gmii_rxd};//目的ip地址else if(cnt == 5'd28)begincnt <= 5'd0; if(des_ip_t == BOARD_IP)begin//判断目的ip地址和操作码if((op_data == 16'd1) || (op_data == 16'd2))beginstate_en <= 1'b1;arp_rx_done <= 1'b1;src_ip <= src_ip_t;src_mac <= src_mac_t;src_mac_t <= 48'd0;src_ip_t <= 32'd0;des_ip_t <= 32'd0;des_mac_t <= 48'd0;if(op_data == 16'd1)arp_rx_type <= 1'b0;//ARP请求else arp_rx_type <= 1'b1;//ARP应答endelse error_flag <= 1'b1; end else error_flag <= 1'b1;endendendRX_DONE:begincnt <= 5'd0;//单包数据接收完成if(gmii_rx_dv && state_en)state_en <= 1'b1;else;enddefault: ;endcaseendend
endmodule
2.2发送部分：
发送部分也可以采用一个状态机来完成，状态转换图如下所示：
发送部分的状态转换比接收部分的状态转换还简单一些，我们需要定义一个计数器，每个时钟的上升沿发送一字节数据并且计数器加1，即可很容易的控制状态机的状态转换，需要注意的是，进入ARP_DATA状态之后，我们将cnt计数器的值清零，并引入一个新的计数器用来计数前28字节数据。之所以这样是因为ARP_DATA状态我们总共需要发送46字节数据，而这里面的前28字节数据为ARP数据段，后18字节为填充段，为了将二者分开因此再定义一个计数器对ARP数据段进行计数。
发送部分的具体实现代码如下所示：
`timescale 1ns / 1psmodule ARP_TX(//systeminput clk , //系统时钟input rst_n , //系统复位//input input arp_tx_en , //ARP发送使能信号input arp_tx_type , //ARP发送类型0：请求 1：应答input [31:0] des_ip , //目的ip地址input [47:0] des_mac , //目的MAC地址input [31:0] crc_data , //CRC校验数据input [7:0] crc_next , //CRC下次校验数据//output output reg tx_done , //发送完成信号output reg gmii_tx_en , //GMII发送使能信号output reg[7:0] gmii_txd , //GMII发送数据output reg crc_en , //CRC校验使能信号output reg crc_clr //CRC清零系信号
);parameter DES_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd102} ; //目的ip地址即PC端ip地址parameter DES_MAC = 48'hff_ff_ff_ff_ff_ff ; //目的MAC地址parameter BOARD_IP = {8'd192,8'd168,8'd1,8'd10} ; //开发板ip地址parameter BOARD_MAC = 48'h00_11_22_33_44_55 ; //开发板MAC地址，用户可自行设置parameter ETH_TPYE = 16'h0806 ; //以太网帧类型 ARPparameter HD_TYPE = 16'h0001 ; //硬件协议类型parameter PROTOCOL_TYPE = 16'h0800 ; //上层协议类型为ip协议localparam IDLE = 5'b0_0001 ; //空闲状态localparam PREAMBLE = 5'b0_0010 ; //发送前导码+SFDlocalparam ETH_HEAD = 5'b0_0100 ; //发送帧头localparam ARP_DATA = 5'b0_1000 ; //发送ARP数据localparam CRC = 5'b1_0000 ; //发送CRC校验数据localparam MIN_DATA_NUM = 6'd46 ; //最小计数值，不满则填充数据//reg typereg arp_tx_en_r0 ; //对ARP发送使能信号打拍以检测上升沿reg arp_tx_en_r1 ; reg arp_tx_en_r2 ; reg [4:0] cur_state ; //现态reg [4:0] next_state ; //次态reg state_en ; //状态转移使能信号reg [5:0] cnt ;reg [4:0] data_cnt ; //发送数据计数器reg tx_done_t ; //发送完成信号暂存reg [7:0] preamble [7:0] ; //前导码+SFDreg [7:0] eth_head [13:0] ; //帧头reg [7:0] arp_data [27:0] ; //ARP数据//wire typewire posedge_arp_tx_en ; //ARP发送使能信号上升沿assign posedge_arp_tx_en = ~arp_tx_en_r2 && arp_tx_en_r1 ;//对使能信号打拍以检测上升沿always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)beginarp_tx_en_r0 <= 1'b0;arp_tx_en_r1 <= 1'b0;arp_tx_en_r2 <= 1'b0;endelse beginarp_tx_en_r0 <= arp_tx_en;arp_tx_en_r1 <= arp_tx_en_r0;arp_tx_en_r2 <= arp_tx_en_r1;endend//三段式状态机第一段，状态转移always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cur_state <= IDLE;elsecur_state <= next_state;end//三段式状态机第二段always @(*) beginnext_state = IDLE;case (cur_state)IDLE:beginif(state_en)next_state = PREAMBLE;elsenext_state = IDLE;end PREAMBLE:beginif(state_en)next_state = ETH_HEAD;elsenext_state = PREAMBLE; endETH_HEAD:beginif(state_en)next_state = ARP_DATA;elsenext_state = ETH_HEAD; endARP_DATA:beginif(state_en)next_state = CRC;elsenext_state = ARP_DATA; endCRC:beginif(state_en)next_state = IDLE;elsenext_state = CRC; enddefault:next_state = IDLE;endcaseend//三段式状态机第三段，判读数据输出结果always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begintx_done_t <= 1'b0;state_en <= 1'b0;cnt <= 6'd0;gmii_tx_en <= 1'b0;gmii_txd <= 7'd0;data_cnt <= 5'd0;crc_en <= 1'b0;//前导码preamble[0] <= 8'h55;preamble[1] <= 8'h55;preamble[2] <= 8'h55;preamble[3] <= 8'h55;preamble[4] <= 8'h55;preamble[5] <= 8'h55;preamble[6] <= 8'h55;//SFDpreamble[7] <= 8'hd5;//帧头eth_head[0] <= DES_MAC[47:40];//目的MAC地址eth_head[1] <= DES_MAC[39:32];eth_head[2] <= DES_MAC[31:24];eth_head[3] <= DES_MAC[23:16];eth_head[4] <= DES_MAC[15:8];eth_head[5] <= DES_MAC[7:0];eth_head[6] <= BOARD_MAC[47:40];//开发板MAC地址eth_head[7] <= BOARD_MAC[39:32];eth_head[8] <= BOARD_MAC[31:24];eth_head[9] <= BOARD_MAC[23:16];eth_head[10] <= BOARD_MAC[15:8];eth_head[11] <= BOARD_MAC[7:0];eth_head[12] <= ETH_TPYE[15:8];//以太网帧类型eth_head[13] <= ETH_TPYE[7:0];//ARP数据arp_data[0] <= HD_TYPE[15:8];//硬件类型arp_data[1] <= HD_TYPE[7:0];arp_data[2] <= PROTOCOL_TYPE[15:8];//上层协议类型arp_data[3] <= PROTOCOL_TYPE[7:0];arp_data[4] <= 8'h06;//硬件地址长度arp_data[5] <= 8'h04;//协议地址长度arp_data[6] <= 8'h00;//arp_data[7] <= 8'h01;//OP操作码 01:request 02:ackarp_data[8] <= BOARD_MAC[47:40]; //发送端(源)MAC地址arp_data[9] <= BOARD_MAC[39:32];arp_data[10] <= BOARD_MAC[31:24];arp_data[11] <= BOARD_MAC[23:16];arp_data[12] <= BOARD_MAC[15:8];arp_data[13] <= BOARD_MAC[7:0];arp_data[14] <= BOARD_IP[31:24]; //发送端(源)IP地址arp_data[15] <= BOARD_IP[23:16];arp_data[16] <= BOARD_IP[15:8];arp_data[17] <= BOARD_IP[7:0];arp_data[18] <= DES_MAC[47:40]; //接收端(目的)MAC地址arp_data[19] <= DES_MAC[39:32];arp_data[20] <= DES_MAC[31:24];arp_data[21] <= DES_MAC[23:16];arp_data[22] <= DES_MAC[15:8];arp_data[23] <= DES_MAC[7:0]; arp_data[24] <= DES_IP[31:24]; //接收端(目的)IP地址arp_data[25] <= DES_IP[23:16];arp_data[26] <= DES_IP[15:8];arp_data[27] <= DES_IP[7:0];endelse beginstate_en <= 1'b0;crc_en <= 1'b0;tx_done_t <= 1'b0;gmii_tx_en <= 1'b0;case (next_state)IDLE:beginif(posedge_arp_tx_en)beginstate_en <= 1'b1;if((des_ip != 32'd0) || (des_mac != 48'd0))begineth_head[0] <= des_mac[47:40];eth_head[1] <= des_mac[39:32];eth_head[2] <= des_mac[31:24];eth_head[3] <= des_mac[23:16];eth_head[4] <= des_mac[15:8];eth_head[5] <= des_mac[7:0]; arp_data[18] <= des_mac[47:40];arp_data[19] <= des_mac[39:32];arp_data[20] <= des_mac[31:24];arp_data[21] <= des_mac[23:16];arp_data[22] <= des_mac[15:8];arp_data[23] <= des_mac[7:0]; arp_data[24] <= des_ip[31:24]; arp_data[25] <= des_ip[23:16];arp_data[26] <= des_ip[15:8];arp_data[27] <= des_ip[7:0];end else;if(arp_tx_type == 1'b0)arp_data[7] <= 8'h01;elsearp_data[7] <= 8'h02;endelse;endPREAMBLE:begin//进入PREAMBLE状态之后拉高gmii_tx_en信号表示开始发送数据，并且每次时钟周期发送8位数据总共发送7个8'h55和一个8'hd5gmii_tx_en <= 1'b1;gmii_txd <= preamble[cnt];if(cnt == 6'd7)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;endelsecnt <= cnt + 1'b1;endETH_HEAD:begin//发送帧头 gmii_tx_en <= 1'b1;crc_en <= 1'b1;gmii_txd <= eth_head[cnt]; if(cnt == 6'd13)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;end elsecnt <= cnt + 1'b1; endARP_DATA:begingmii_tx_en <= 1'b1;crc_en <= 1'b1;if(cnt == MIN_DATA_NUM - 1'b1)beginstate_en <= 1'b1;cnt <= 6'd0;data_cnt <= 5'd0;endelsecnt <= cnt + 1'b1;if(data_cnt <= 5'd27)begindata_cnt <= data_cnt + 1'b1;gmii_txd <= arp_data[data_cnt];endelsegmii_txd <= 8'd0;//填充endCRC:begin//发送CRC校验值gmii_tx_en <= 1'b1;cnt <= cnt + 1'b1;if(cnt == 6'd0)gmii_txd <= {~crc_next[0], ~crc_next[1], ~crc_next[2],~crc_next[3],~crc_next[4], ~crc_next[5], ~crc_next[6],~crc_next[7]};else if(cnt == 6'd1)gmii_txd <= {~crc_data[16], ~crc_data[17], ~crc_data[18],~crc_data[19], ~crc_data[20], ~crc_data[21], ~crc_data[22],~crc_data[23]};else if(cnt == 6'd2) begingmii_txd <= {~crc_data[8], ~crc_data[9], ~crc_data[10],~crc_data[11],~crc_data[12], ~crc_data[13], ~crc_data[14],~crc_data[15]}; endelse if(cnt == 6'd3) begingmii_txd <= {~crc_data[0], ~crc_data[1], ~crc_data[2],~crc_data[3],~crc_data[4], ~crc_data[5], ~crc_data[6],~crc_data[7]}; tx_done_t <= 1'b1;state_en <= 1'b1;cnt <= 1'b0;end else;enddefault:;endcaseendend//发送ARP发送完成信号和CRC复位信号always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begintx_done <= 1'b0;crc_clr <= 1'b0;endelse begintx_done <= tx_done_t;crc_clr <= tx_done_t;endendendmodule
仿真结果如下所示：
发送部分
发送使能信号拉高，并且在打拍之后检测到时钟上升沿，代表一次发送开始。
发送数据与发送数据计数。
单包数据发生完成。
接收部分
检测到第一个8’h55，状态机的状态进行跳转。
接收数据与接收数据计数。
接收到的MAC地址和ip地址。
上板测试：
按下按键后，利用wireshark抓取数据包结果如下图所示：
开发板发送请求信号，PC端进行应答。
开发板MAC地址与ip地址。
代码参考正点原子。
ARP协议详解 ------- 一看就懂-CSDN博客