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(kuò)展性強(qiáng)、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(qiáng)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。基于SOPC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(dāng)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(qiáng)、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(qiáng)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(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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(dá)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(fù)責(zé)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，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(jī)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(jī)進(jìn)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(dāng)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(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等學(xué)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)模塊的邏輯設(shè)計。用SOPC Builder可以進(jìn)行系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計和底層軟件生成。進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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。可以直接在該界面把起始地址和中斷號修改成合適的值。

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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)源程序文件到目標(biāo)文件的編譯過程以及目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(dǎo)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(jìn)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(jī)的串口和網(wǎng)絡(luò)終端的串口互連，能夠從PC機(jī)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。