基于Nios軟核的嵌入式Internet系統(tǒng)設計

　　引言

　　自上個世紀末開始的網(wǎng)絡化浪潮，在很多領域都引發(fā)了技術進步和革新，嵌入式Internet便是嵌入式技術與網(wǎng)絡技術結合的產(chǎn)物。簡單來說，嵌入式Internet是指在一個嵌入式設備上配備網(wǎng)絡接口，通過網(wǎng)絡可以與遠程設備進行信息的交互。從管理的角度上來講，嵌入式Internet經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：集中管理階段、分散管理階段、智能管理階段。前兩個階段主要是致力于解決如何把一個具體的設備真實地嵌入到Internet中，第三階段人們考慮更多的是如何利用現(xiàn)有的技術來更好地進行遠程控制，更加豐富控制功能。

　　Altera公司的Nios軟核嵌入式處理器是一種可特許的通用RISC CPU，也就是說，Altera公司以IP核的方式將它提供給設計者。它可以與各種各樣的外設、定制指令和硬件加速單元相結合，構成一個定制的SOPC。該處理順具有可由用戶配置的L1（第一層）指令與數(shù)據(jù)超高速緩存。Nios處理器還具有一種基于JTAG的OCI（片上儀器）芯核，使軟件開發(fā)人員在實時調試方面具有更明顯的優(yōu)勢。該處理器的軟件支持可擴展到對APR、IP、ICMP、TCP、UDP和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議支持。

　　本文介紹的以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集模塊的設計，充分利用了前述兩種技術。主要功能是進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸以及可接受遠程控制。該模塊具有成本低廉、結構簡單、可靠性高、可擴展性強等特點。

　　1 設計實例分析

　　通過對以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集模塊設計實例，介紹如何利用前面提到的技術來實現(xiàn)一個嵌入式Internet系統(tǒng)。

　　1.1 硬件設計

　?。?）系統(tǒng)整體結構

　　根據(jù)以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集模塊的功能要求，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，本系統(tǒng)主要包括以下部分：

　　*Cyclone FPGA，包括Nios軟核CPU、操作系統(tǒng)使用的定時器、網(wǎng)絡協(xié)議棧使用的定時器、CPU同外圍設備的接口；

　　*EPCS4，用來在上電時對FPGA進行配置；

　　*Flash，主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數(shù)；

　　*SRAM，用來在系統(tǒng)運行時的代碼和數(shù)據(jù)存儲；

　　*8位A/D，用來采集輸入信號；

　　*網(wǎng)絡接口芯片；

　　*LED（3個），用來指示系統(tǒng)運行狀態(tài)。

　　整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。

　　對于一個嵌入式Internet系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡接口是硬件設計的關鍵，本系統(tǒng)中采用Smsc公司的LAN91C111芯片作為網(wǎng)絡接口。該器件是一個以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)了網(wǎng)絡七層協(xié)議棧中的傳輸層和MAC層的功能。另外，它具有10/100M自適應、雙工/半工自適應等功能，有很好的網(wǎng)絡兼容性。

　?。?）CPU同A/D接口的設計

　　CPU同A/D接口設計使用的是QuartusII軟件。它是Altera公司的第4代可編程邏輯器件集成開發(fā)環(huán)境，提供從設計輸入到器件編程的全部功能。

　　需要指出的是，從開發(fā)的周期和系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，在本設計中除了A/D之外的其余器件均采用Altera公司推薦使用的器件。在SOPC Builder中包含了這些器件間Nios CPU的接口，所以只需要對CPU同A/D的接口進行設計。

　　為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集頻率的動態(tài)控制，以及使網(wǎng)絡部分有更多的CPU使用時間，在CPU同A/D的接口部分，除了必要的與CPU進行交互的部分外，還包括用可控制計數(shù)器實現(xiàn)的整數(shù)倍分頻電路兩個輪換使用的數(shù)據(jù)緩存RAM。

　　該部分的結構如圖2所示，分頻電路的輸出時鐘信號頻率范圍是1MHz～1Hz。雙RAM緩沖有兩個輸入時鐘：讀時鐘和寫時鐘。讀時鐘信號為50MHz，遠高于寫時鐘信號。這種緩存RAM讀寫頻率不同的設計，可以顯著減小低速外圍設備對CPU的占用時間。CPU通過對狀態(tài)和控制寄存器的讀寫，實現(xiàn)對本部分的控制。考慮到系統(tǒng)的可擴展性，同A/D相連的數(shù)據(jù)線寬度為32位，方便今后擴展，最多可以4個8位A/D并行工作。另外，本部分在單個RAM緩存存滿時，是以中斷的方式通知CPU。

　?。?）定制CPU和接口

　　這部分設計使用到的開發(fā)工具是Altera公司的SOPC Builder，該工具會自動進行系統(tǒng)定義，完成SOPC開發(fā)的集成過程。設計者采用SOPC Builder能夠在圖形化界面內定餐一個從硬件到軟件的完整系統(tǒng)。

　　首先，根據(jù)設計需要使用SOPC Builder來對Nios CPU進行定制，包括CPU是不吸數(shù)據(jù)和代碼緩沖、CPU寄存器數(shù)量（Nios CPU最多可以有512個寄存器）等。本設計中的Nios CPU有256個寄存器，未使用數(shù)據(jù)和代碼緩沖。除了Nios CPU之外，還需要用SOPC Builder將CPU同外圍設備的接口添加進來。對于本設計來說，就是將在前面提到的A/D接口以用戶自定義接口的方式添加進來，其余器件同CPU的接口只需在SOPC Builder中將對應的接口模塊添加進來即可。

　　然后，用SOPC Builder將定制轉換為VHDL等具體的設計文件。除此之外，SOPC Builder還根據(jù)定制的結果，自動的生成針對特定硬件環(huán)境的C語言和匯編語言的頭文件以及函數(shù)庫，這在軟件設計中會極大的減少軟件開發(fā)人員的工作量。

　　1.2 軟件設計

　　軟件設計包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡協(xié)議棧設計、應用級代碼編寫等部分，其中操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡協(xié)議棧設計的關鍵是軟件設計。下面就對這兩部分作簡單介紹。

　?。?）μC/OS操作系統(tǒng)移植

　　μC/OS操作系統(tǒng)是美國人Jean Labrosse于1992年開始編寫的，它是一種適合于小型、微控制器的可剝奪實時操作系統(tǒng)。ΜC/OS的內核除了沒有網(wǎng)絡協(xié)議棧之外，也沒有文件系統(tǒng)，但是本設計中的設備本身并不需要對采集數(shù)據(jù)按文件方式保存，因而使用μC/OS可以滿足需要。

　　ΜC/OS設計時就充分考慮到在不同平臺上移值的需求，將同平臺相關的部分局限在一個很小范圍內，對于不同的平臺只需對下面一些函數(shù)和宏進行重寫。

　　*OS_ENTER_CRITICAL和OS_ENTER_CRITICAL：這是兩個宏，用來進行臨界段保護。在本設計中使用匯編代碼關中斷來實現(xiàn)。

　　*OS_TASK_SW：這是一個用于進行任務切換的宏。本設計中利用CPU的軟件中斷方式實現(xiàn)。也就是說調用此宏產(chǎn)生軟件中斷，然后由相應的中斷處理程序來具體實現(xiàn)任務上下文保護和任務切換。

　　*OSIntCtxSw：實現(xiàn)中斷級任務切換，用純匯編實現(xiàn)。

　　*OSCtxSw：實現(xiàn)用戶級上下文切換，用純匯編實現(xiàn)。

　　*OSTickISR：為系統(tǒng)定時器中斷的處理函數(shù)，用純匯編實現(xiàn)。

　　*OSTaskStkInit：用來創(chuàng)建任務時，對任務堆棧進行初始化。

　?。?）網(wǎng)絡協(xié)議棧

　　本系統(tǒng)采用的是SOPC Builder中包含針對Nios的網(wǎng)絡協(xié)議棧，該棧以名為Plugs的函數(shù)庫的形式提供給設計者，該庫向軟件編寫都隱藏了低層硬件細節(jié)，以類似于unix套接字的方式實現(xiàn)了一個精簡的網(wǎng)絡協(xié)議棧。它支持以下一些網(wǎng)絡協(xié)議：IP、ARP、ICMP、UDP、TCP。

　　使用該庫在硬件上有四個要求：必須使用Nios CPU，需要20KB的代碼存儲空間，需要4KB的數(shù)據(jù)存儲空間，系統(tǒng)中需要有一個專供其使用的定時器。

　　2 結論

　　可以看出，采用Nios軟核CPU進行嵌入式Intenet系統(tǒng)硬件設計相當快速。由于SOPC Builder開發(fā)環(huán)境的完備功能，可以把注意力集中在系統(tǒng)整體構架和功能上來，而無需過多的考慮細節(jié)性的電路設計，同時還可以得到比較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

　　基于Nios進行嵌入式Internet系統(tǒng)設計者兩個突出優(yōu)點。首先，硬件設計的難度，縮短了硬件開發(fā)周期，提出了設計的可靠性。CPU本身是以軟核的方式實現(xiàn)，其功能可根據(jù)需要進行定制。其次，軟件開發(fā)容易。SOPC Builder不但在硬件設計上提供了支持，在軟件上也為設計者提供了較好的支持，提供了現(xiàn)成的網(wǎng)絡協(xié)議棧。

　　本文中的以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)進行了初步的仿真試驗，能夠達到預期的效果，被證實是切實可行的。