基于SOPC技術(shù)的嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備解決方案設(shè)計詳解

1 引言

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)因其寬帶、擴展性強、組網(wǎng)靈活而成為應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)外互訪信息的協(xié)議界面和工作平臺。嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備采用嵌入式處理器技術(shù)，使用嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)，可直接接入以太網(wǎng)。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備具有成本低、體積小、高可靠、微功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)勢，在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹用SOPC技術(shù)構(gòu)建嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計和實踐?；赟OPC技術(shù)的嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端能夠為多種聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供基本的工作平臺。

與當前較為流行的嵌入式處理器如基于ARM內(nèi)核的處理器、系列處理器等不同，SOPC技術(shù)的是把處理器作為“內(nèi)核”嵌入到芯片中，在可編程芯片上實現(xiàn)系統(tǒng)功能?？汕度氲奶幚砥鲀?nèi)核有兩種：硬核或軟核。其中軟核因為成本低、可重構(gòu)性強、功能靈活、適用的芯片范圍廣等特點更適合于應(yīng)用在中小批量生產(chǎn)的差異化產(chǎn)品中。

采用硬件技術(shù)處理信號，又可以通過軟件反復(fù)編程使用，能兼顧速度和靈活性，實時性能可以精確預(yù)測和仿真。FPGA芯片的一個顯著優(yōu)勢是具有強大的硬件并行處理能力，這種能力不受處理器架構(gòu)的限制而只取決于芯片的物理資源。隨著深亞微米半導體技術(shù)的進步，目前FPGA單片所含的邏輯門和片上存儲器的容量發(fā)展很快，百萬門級的可編程邏輯芯片已成為尋常產(chǎn)品。因此在一般算法復(fù)雜度的多路信號處理（通常語音通信和工業(yè)控制均可歸入該范圍）中，F(xiàn)PGA比DSP更能勝任工作，而且并行處理的路數(shù)越多，這個優(yōu)勢越突出。是公司開發(fā)的一種軟核處理器。應(yīng)用SOPC技術(shù)把配置進FPGA芯片后，網(wǎng)絡(luò)終端備不再需要外部處理器，用單一FPGA芯片就可以實現(xiàn)以前需要FPGA+CPU才能完成的功能。

2　網(wǎng)絡(luò)終端的總體設(shè)計

基于SOPC技術(shù)的嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端的硬件和固件部分由帶軟核CPU的FPGA芯片、外部數(shù)據(jù)存儲器FlashRAM和、帶AD和DA變換電路的模擬信號處理模塊、串行、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊及接口、JTAG等組成，見圖1。此外還有及配置電路等，從略。

在圖1中，F(xiàn)PGA芯片選用公司的Cyclone系列芯片，該芯片采用0.13μm的全銅1.5V 工藝制作，具有5980個邏輯單元（LE），92160個RAM比特，兩個數(shù)字鎖相環(huán)（PLL），240引腳封裝。

程序存儲器選用AMD公司的FlashRAM芯片，存儲容量2MByte，擦寫次數(shù)可達100萬次。數(shù)據(jù)存儲器選用公司的芯片MT48LC4M32B2，存儲容量16MByte，訪問速度5.5ns。使用較大容量的數(shù)據(jù)存儲器主要是為今后試驗運行各種不同的嵌入式操作系統(tǒng)預(yù)留空間。

以太網(wǎng)接口芯片采用。該芯片是 公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)信號處理芯片，內(nèi)部集成了片上RAM，其模擬前端包括了曼切斯特編解碼器、時鐘恢復(fù)電路、10BASE-T收發(fā)器和及一個AUI口。的MAC（媒體訪問控制）引擎負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，檢測和處理沖突，生成和檢測幀引導頭（Preamble），自動生成和校驗CRC（循環(huán)冗余校驗）碼。芯片在網(wǎng)絡(luò)物理層符合IEEE802.3以太網(wǎng)標準，支持全雙工操作。

A/D和D/A變換器采用ADI公司的芯片。具有一個16bit的AD轉(zhuǎn)換通道和一個16bit的D/A轉(zhuǎn)換通道，A/D和D/A轉(zhuǎn)換通道的增益可分別在38dB和21dB范圍內(nèi)編程控制，每一個通道都在聲音頻帶范圍內(nèi)提供70dB的信噪比。采樣頻率為8kHz～64kHz，可編程控制，采樣字長為16位。選用是因為該芯片不但可應(yīng)用于一般模擬信號的A/D和D/A變換，而且能夠滿足語音信號的前端處理要求，便于今后試驗功能。

JTAG接口用于從PC機向FPGA芯片下載配置文件以及調(diào)試系統(tǒng)，串口用于連接PC機進行系統(tǒng)的軟件調(diào)試及在聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中傳送信息到外部設(shè)備。

終端的軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSⅡ、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP及應(yīng)用軟件組成。嵌入式操作系統(tǒng)是一種實時的、支持嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議等。與PC操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)的實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點。

當前各種主要的嵌入式操作系統(tǒng)（如、VxWorks、μC-、μC/OSII等）均在不同程度上支持多種類型的外圍硬件設(shè)備和多種通信協(xié)議，可以有較多的手段實現(xiàn)外圍硬件的驅(qū)動。完備的操作系統(tǒng)支持很多通信協(xié)議，采用操作系統(tǒng)后，可直接調(diào)用這些協(xié)議實現(xiàn)通信，避免過多的底層編程耗費時間精力，減少出錯。

在本網(wǎng)絡(luò)終端中選擇μC/OSⅡ作為嵌入式操作系統(tǒng)。μC/OSⅡ是一個相對成熟而且是免費的嵌入式操作系統(tǒng)，適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良等特點。其缺點是對于文件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜應(yīng)用等方面的支持遜于商業(yè)性的嵌入式操作系統(tǒng)。

在網(wǎng)絡(luò)通信軟件方面，選擇了LWIP來實現(xiàn)TCP/IP通信。LWIP是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等學者開發(fā)的源代碼開放的免費TCP/IP協(xié)議棧。LWIP既可運行于操作系統(tǒng)上，也可以獨立運行。LWIP可以提供類似于Berkeley 套接字的應(yīng)用程序接口，使用它編寫出來的代碼兼容性很好，只要稍微修改就可以移植到別的常用操作系統(tǒng)上。因為μC/OSⅡ操作系統(tǒng)沒有自帶的TCP/IP協(xié)議棧，本網(wǎng)絡(luò)終端把lwIP移植到μC/OSⅡ操作系統(tǒng)上，使其成為操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊，這樣網(wǎng)絡(luò)通信就可以置于μC/OSⅡ的控制之下。

3　SOPC的開發(fā)流程

使用軟核處理器開發(fā)系統(tǒng)有其獨特的開發(fā)流程。本文所述工作以采用美國公司的軟核處理器Nios CPU為例來進行開發(fā)，使用的工具主要是Altera公司的設(shè)計軟件。這些軟件工具包括QuartusⅡ、SOuilder、GNUProToolkit等。

QuartusⅡ是Altera公司的FPGA設(shè)計軟件，具有設(shè)計輸入、、仿真、延時分析、編譯、下載文件以及配置器件等功能。SOPC Builder用于在QuartusⅡ設(shè)計平臺上進行系統(tǒng)模塊的邏輯設(shè)計。用SOPC Builder可以進行系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計和底層軟件生成。進行硬件模塊設(shè)計時，SOPC Builder提供圖形化配置界面，備有一些常用外設(shè)的IP模塊，如、FlashRAM、、 、Intervaltimer、ParallelI/O等。這些已開發(fā)好并已經(jīng)引入到SOPC Builder環(huán)境中的功能模塊被稱為部件，打開SOPC Builder的圖形界面時可以在左邊看到這些功能部件。用戶還可以用“to ”加入自己的外設(shè)設(shè)計文件，或直接加外設(shè)接口?？梢圆捎玫耐庠O(shè)設(shè)計文件是用或Verilog HDL等描述語言寫的.vhd或.v文件、由MAX+plusII生成的EDIF文件、或用QuartusⅡ輸入的電原理圖。SOPC Builder可以進行系統(tǒng)配置以及生成，系統(tǒng)配置除了對外設(shè)設(shè)置外還包括啟動程序、中斷向量表、系統(tǒng)啟動地址等的設(shè)置。應(yīng)用軟件的設(shè)計在Cygwin環(huán)境中使用GNUPro工具包進行，該工具包含有編譯、下載軟件、以及常用文件的操作命令等，熟悉Cygwin和的開發(fā)者很容易使用。SOPC開發(fā)的整個流程如圖2所示。

進行系統(tǒng)設(shè)計時，先在QuartusⅡ中新建一個工程，然后按圖2流程進行設(shè)計。圖中，第一步是確定CPU，設(shè)置CPU是16位還是32位、要不要加硬件乘法指令等，這一步在“Configure Processor”中進行。第二步是選擇外圍設(shè)備比如、SDRAM、FlashRAM、以及通用I/O等，加入用戶電路模塊到系統(tǒng)中也是在這一步。

第三步是生成，即生成用HDL語言描述的硬件組件以及用于軟件開發(fā)的SDK。至此的三步都在SOPC Builder中進行。接下來分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩路。在硬件設(shè)計方面，按圖2左邊所示流程進行片上系統(tǒng)設(shè)計、添加用戶電路，包括電路聯(lián)線、芯片選型、管腳設(shè)置等，通過系統(tǒng)后編譯生成.sof文件，并可根據(jù)需要對系統(tǒng)硬件進行功能模擬和時序仿真分析。在軟件設(shè)計方面，按圖2右邊所示流程進行軟件設(shè)計、編譯、鏈接，這一步的工作環(huán)境主要為SOPC Builder的軟件開發(fā)環(huán)境，也被稱為Cygnus。編譯軟件代碼用nios-build，簡寫為nb，用srec-flash來產(chǎn)生從FlashRAM啟動的代碼，下載軟件到系統(tǒng)中用nios-run，簡寫為nr。軟硬件的設(shè)計流程在最后又匯總在一起，將設(shè)計好的電路配置文件.sof通過JTAG下載到Altera FPGA中進行調(diào)試。

4　嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計要點

4.1　Nios處理器的

本網(wǎng)絡(luò)終端使用32位處理器，通過QuartusII設(shè)計平臺上的SOPC Builder軟件把Nios軟核處理器配置到FPGA芯片中。Nios軟核能夠按照需求配置成16位或者32位的處理器，指令位數(shù)是16位。一般來說，16位處理器做成的系統(tǒng)反應(yīng)要比32位的快，但32位處理器可管理的資源要比16位多。數(shù)據(jù)總線、地址總線、寄存器以及算術(shù)邏輯單元的位數(shù)可根據(jù)需要配置成16或32位。寄存器個數(shù)也是可以配置的。

Nios CPU的體系結(jié)構(gòu)有1個通用寄存器組，10個控制寄存器，1個程序寄存器，1個K寄存器。在32位Nios CPU中每個通用寄存器的位寬為32。通用寄存器組中寄存器的數(shù)目可以根據(jù)需要設(shè)置成128、256或512個。某一時刻，Nios可以直接訪問（不改變CWP）的通用寄存器共有32個，稱為寄存器窗口。組中寄存器的個數(shù)被稱為窗口的長度，又被稱為寄存器窗口的大小，值為32。寄存器窗口有四部分，處于最底端的8個寄存器被稱為全局寄存器，分別是%r0～%r7，也稱為%g0～%g7;全局寄存器不隨寄存器窗口位置的改變而改變，CPU對其隨時可以存取。剩下的24個寄存器通過當前寄存器窗口來存取。最上端的8個被稱為輸入寄存器，緊接著輸入寄存器之后的被稱為局部寄存器，在局部寄存器和全局寄存器之間的8個寄存器為輸出寄存器。

4.2　FPGA片上系統(tǒng)

片上系統(tǒng)包括CPU以及和CPU緊密相連的總線系統(tǒng)和外圍硬件等。通過SOPC Builder可以選擇和設(shè)置片上系統(tǒng)模塊的部件，分配和修改系統(tǒng)對各部件的地址以及中斷號。

SOPC Builder為Nios設(shè)計了一種特別的總線———Avalon總線。Avalon是一種簡單的總線結(jié)構(gòu)，規(guī)定了主部件和從部件之間的接口以及部件間通信的時序。Avalon總線由有源邏輯單元構(gòu)成，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)板子上的金屬線。SOPC Builder根據(jù)系統(tǒng)配置生成Avalon總線的.vhd文件，最后由QuartusⅡ根據(jù).vhd文件成片上總線結(jié)構(gòu)。本網(wǎng)絡(luò)終端片上系統(tǒng)的設(shè)置情況可以見圖3，該圖是SOPC Builder軟件的部件設(shè)置界面?？梢灾苯釉谠摻缑姘哑鹗嫉刂泛椭袛嗵栃薷某珊线m的值。

除了設(shè)置具體的部件外，還需要再設(shè)置系統(tǒng)的啟動地址、中斷向量表、程序內(nèi)存、數(shù)據(jù)內(nèi)存、主串口以及輔助串口，見圖4。這些設(shè)置和軟件目標文件的鏈接過程緊密相關(guān)。SOPC Builder將根據(jù)這些設(shè)置來生成cpu-sdk目錄中子目錄lib、inc的相關(guān)文件。

4.3　網(wǎng)絡(luò)接口控制

設(shè)置以太網(wǎng)接口芯片工作于I/O模式。通過對芯片各寄存器的操作可設(shè)置網(wǎng)絡(luò)終端的功能和讀取狀態(tài)信息。CS8900A的主要寄存器有：

LineCTL：決定CS8900A的基本配置和物理接口，設(shè)置初始值為00D3H，選擇物理接口為10BASE-T。

RxCTL：控制CS8900A接收特定數(shù)據(jù)報，設(shè)置RxTCL的初始值為0D05H，接收網(wǎng)絡(luò)上的廣播或目標地址同本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報。

RxCFG：控制CS8900A接收到特定數(shù)據(jù)報后會引發(fā)接收中斷，RxCFG可設(shè)置為0103H，收到正確數(shù)據(jù)報時產(chǎn)生接收中斷。

BusCTL：控制芯片的I/O接口操作，設(shè)置初始值為8017H，打開CS8900A的中斷總控制位。

ISQ：中斷狀態(tài)寄存器，內(nèi)部映射接收狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷寄存器內(nèi)容。

Port0：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，CPU通過Port0傳輸數(shù)據(jù)。

TxCMD：發(fā)送控制寄存器，如果寫入數(shù)據(jù)00C0H，那么網(wǎng)卡芯片在全部數(shù)據(jù)寫入后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

TxLength：發(fā)送數(shù)據(jù)長度寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長度，然后將數(shù)據(jù)通過Port0寫入芯片。

系統(tǒng)上電時，首先對CS8900A進行初始化，寫寄存器LineCTL、RxCTL、RxCFG、BusCTL。發(fā)送數(shù)據(jù)時， 寫控制寄存器TxCMD，并將發(fā)送數(shù)據(jù)長度寫入TxLength，然后將數(shù)據(jù)依次寫入Port0口，數(shù)據(jù)就可以發(fā)送出去了。接收到數(shù)據(jù)時CS8900A將觸發(fā)中斷，在其中斷處理程序中可以接收數(shù)據(jù)并處理。

4.4　AD/DA電路

網(wǎng)絡(luò)終端能夠采集數(shù)字信號和模擬信號，數(shù)字信號可直接送入FPGA處理，模擬信號則需通過AD73311L芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入FPGA處理。AD73311L工作時先進行初始化，設(shè)定采樣率、輸入輸出增益等，再讓其工作在數(shù)據(jù)傳輸模式下就可正常工作。

AD73311L的數(shù)據(jù)采用串行方式與FPGA芯片通信，可以減少芯片間的連線。在FPGA內(nèi)部，要做串行/并行和并行/串行的變換。為了使AD73311L受CPU的控制，在SOPC Builder中通過使用“to ”功能添加了專門用于AD73311L的組件ad/da，并設(shè)置相應(yīng)的管腳與外電路相連。

4.5　軟件組成

和Nios CPU配套的軟件開發(fā)工具可在cygwin中使用。cygwin是RedHat公司開發(fā)的運行于windows平臺下的仿linux環(huán)境。因此為Nios編寫程序并編譯鏈接的過程和通用linux下面的過程很類似。

軟件組成從邏輯上可以分為5部分，其中啟動程序Germ Monitor自成一部分，由Altera公司提供。其余4部分由設(shè)計者組織并編寫修改。基于SOPC技術(shù)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由源代碼得到最終可運行文件的過程由一種特殊的文本文件Makefile控制。Makefile文件用于指導源程序文件到目標文件的編譯過程以及目標文件鏈接成可執(zhí)行文件的過程，因此可以看成是整個軟件程序的管理文件。Makefile文件采用文本文件格式，配合Make程序創(chuàng)建最終的應(yīng)用程序。Makefile文件定義了目標文件（target）和依靠文件之間的依賴關(guān)系，以及由依靠文件產(chǎn)生目標文件應(yīng)該執(zhí)行的命令。

整個軟件包共有4個Makefile文件。μC/OSⅡ操作系統(tǒng)的Makefile文件位于目錄librtos32中，負責編譯操作系統(tǒng)代碼，最終產(chǎn)生操作系統(tǒng)支持庫文件librtos32.a。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議lwIP部分的Makefile文件位于src目錄，負責編譯網(wǎng)絡(luò)支持部分代碼，最終生成庫文件liblwip.a。網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用軟件的Makefile文件位于頂層目錄UCOSII-lwip中，它將指導編譯器生成庫文件liblwipapp.a。主Makefile文件也位于頂層目錄中，用于生成最終下載到電路板的可執(zhí)行程序。

4.6　系統(tǒng)的啟動

網(wǎng)絡(luò)終端采用的啟動程序為Nios開發(fā)工具包中自帶的監(jiān)控程序Germ Monitor，略做修改。它的代碼短小，是一個小型的shell程序，配置在FPGA的片上ROM內(nèi)，可以在操作系統(tǒng)運行之前啟動系統(tǒng)。在配置硬件的時候，設(shè)置Nios的啟動地址為片上ROM的地址，系統(tǒng)上電復(fù)位時將從該地址運行。也可以采用別的啟動方式，比如可以直接從Flash RAM驅(qū)動。對硬件的初始化檢測、硬件外圍設(shè)備工作狀態(tài)的設(shè)定都可以在啟動程序中進行。執(zhí)行初始化之后，Germ Monitor把放置在Flash RAM中的應(yīng)用程序加載到SDRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序，即可按設(shè)計要求運行以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端的各項功能。

5　結(jié)語

經(jīng)過以上設(shè)計，調(diào)試除錯后，嵌入式以太網(wǎng)終端就能夠正常工作了。把兩塊這樣的終端電路板用網(wǎng)線連接到局域網(wǎng)上，分別設(shè)定其IP地址，運行應(yīng)用軟件即可實現(xiàn)多種功能。把PC機的串口和網(wǎng)絡(luò)終端的串口互連，能夠從PC機監(jiān)視終端的工作狀態(tài)。

經(jīng)試驗，在這兩個終端間成功地實現(xiàn)了語音通信和Telnet數(shù)據(jù)通信。限于篇幅，這方面的將另文介紹。

以上的研究試驗表明，采用SOPC技術(shù)，能夠為設(shè)計嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備提供一種高效、靈活、低成本的解決方法，SOPC技術(shù)的多項特點使其成為嵌入式系統(tǒng)的一種富有競爭力的。