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近年來，隨著信息技術的發展，網絡化日加普遍，以太網被廣泛應用到各個領域。例如在數據采集領域，一些小型監測設備需要增加網絡實現遠程數據傳輸的功能，只要那些設備上增加一個網絡接口并實現了TCP／IP協議，就可以方便地接入到現有的網絡中，完成遠程傳輸數據的相關功能，所以小型設備的網絡技術一直是大家關注的焦點。另一方面，隨著單片FPGA的邏輯門數不斷增大，人們開始考慮將整個嵌入式系統集成到單片FPGA來實現，于是2001年Altera第一次提出了可編程片上系統(SOPC)概念，并且推出了第一款嵌入式處理器軟核Nios以及之后的第二代Nios II以及相應的開發環境，此后Xilinx也推出了MicroBlaze微處理器軟核，之后，隨著Altera的CycloneIII和Stratix IV以及Xilinx的Spartan6和Virtex6等一系列大容量FPGA的推出，Xilinx于2009年正式提出了目標平臺設計并且推出了相應的軟件ISE 11，至此，嵌入式系統真正開始走向了片上系統，自然，這中間也包括了以太網的嵌入式片上系統。 Matlab是美國MathWorks公司提供的商業數學仿真軟件，其中Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于框圖的設計環境，可以實現數據的仿真和處理，它提供了一種快速、直接明了的方式，用戶可以實時看到系統的仿真結果并且進行相應的數據處理。基于以上事實，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太網與Matlab通信系統的設計和研究，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微處理器軟核，利用它和相應外設IP核一起完成SOPC的設計并且完成與Simulink數據的傳輸，最后動態顯示以太網傳輸的數據。 1 系統硬件平臺設計 1．1 系統總體硬件的結構 在系統硬件結構中，考慮到系統復雜度和成本因素，我們選用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作為主控制芯片，該芯片為Xilinx的Spartan系列的低端FPGA，采用了65nm技術，在集成度和性價比上都要優于先前Spartan系列的FPGA，系統外掛一塊Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作為外擴SDRAM，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作為數據存儲器，而10／100Mb以太網我們采用單片PHY芯片加Xilinx的MAC軟核來實現。該方案將物理層和MAC分開，將MAC用IP來實現，從而整個系統更加靈活。其中單片PHY芯片有BroadCom公司的BCM5221，Intel公司的LXT971A、LXT972A，SMSC公司的DM9000、LAN83C185等。這里我們采用SMSC公司的LAN83C185來實現物理層。 1．2 系統整體框圖 雖然Matlab中可以采用相關命令創建一個TCP／IP的模塊進行數據的接收和顯示，但是與Simulink中TC／IP模塊相比較為繁鎖，因此選擇用后者動態實時顯示從以太網發送過來的數據，并可進行相應的處理。本設計主要是完成發送正弦函數數據并在Simulink的接收模塊中顯示正弦函數圖形。系統的整體的框圖如圖1所示： 2 MicroBlaze的系統硬件配置和Simulink接收塊的搭建 2．1 MicroBlaze和系統設計 Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式軟核是業界優秀的32位軟處理器IP核之一，它支持CroConnect總線標準設計集合，具有兼容性和重復利用性，最精簡的核只需要400個左右的Slice，MicroBlaze軟核內部采用哈佛結構的32位指令和數據總線，便于各個外設和它們之間的信號傳輸及相應的控制，它有下面的幾種互聯總線： (1)處理器本地總線(PLB)。可以將多個PLB主設備和PLB從設備連接到整個的PLB系統中。 (2)高速的本地存儲器總線(LMB)。用來取RAM塊的同步總線。 (3)XCL總線。是一個高性能的外部內存訪問總線。 (4)FSL總線。用于點對點的單向通信總線。 使整個系統的軟硬件設計，包括系統硬件平臺的搭建，驅動程序的配置，Xilkernel操作系統內的核參數配置，軟件庫的設置，文件系統的生成及外設控制芯片接口配置都可以在EDK(Embedded Development Kit)內完成。EDK的整體開發流程如圖2所示。 整個系統設計具體操作如下： (1)在EDK的集成開發環境XPS(Xilinx Platform. Studio)中，處理器功能單元，系統外圍總線結構，終端外設以及相應的地址映射和默認的驅動等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系統的基本構建中其主要設置如下：使用Single Processor System系統，Local Memory為16k，系統時鐘頻率為62．5MHz，定時器和以太網中斷必須連接到處理器的中斷控制器上，另外，本設計還用到的GIOP、Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等，其間用到的IP驅動，都是用xilinx提供IP的自帶默認的相應驅動。 (2)最后XPS自動生成微處理器硬件規范MHS(Microprocessor Hardware Specification)和描述軟件系統結構的微處理器軟件規范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關的文件。這些文件都可以手動進行修改，從而是使整個系統更加的優化。 (3)生成的系統最后生成bit文件，把其文件下載到目標板子上。 2．2 Simulink接收模塊的搭建 Simulink中TCP／IP中的接收模塊，其終端的地址，端口的設置要與FPGA上的以太網的IP地址、端口的設置一致，這就為TCP／IP接收模塊指定了要通信的地址即完成了接收模塊TCP／IP的相關配置，也就完成了FPGA與Matlab中以太網通信的接收模塊的搭建，在Simulink中，具體的模塊設計如圖3所示。 通信數據通過此模塊可以較直觀地用圖形動態顯示。 3 系統的軟件平臺及網絡協議的實現 3．1 軟件內核和協議 本設計主要選擇了Xilinx公司的精簡嵌入式操作系統Xilkemel，它是Xilinx提供的用于EDK系統的小型、模塊化的嵌入式操作系統內核，它支持Microblaze核，與EDK形成的硬件系統無縫連接，具有可定制、CPU資源占用較小、運行速度快等特點，是MicroBlaze嵌入式軟核的理想操作系統，其整體的開發流程如圖4所示。 網絡通訊協議我們采用TCP／IP協議，該通訊協議采用四層(應用層、傳輸層、互連網絡層、網絡接口層)層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求，系統分為兩部分實現： 第一部分為物理層和MAC層，本設計中用LAN83C185來實現物理層，MAC層由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核，并作為整個MicroBlaze系統硬件的一部分在FPGA內實現。 第二部分是運輸層和網際層，主要由軟件代碼實現。TCP／IP網絡通信軟件允許用戶遠程注冊到另一個系統中，并從一個系統復制文件到另一個系統，雖然Xilkernel本身不帶有文件處理系統和TCP／IP協議棧，但它與Xilinx公司的LwIP庫具有良好的接口，加上系統支持庫LibXilMFS可形成一個比較完整的嵌入式系統，其特點是內核配置功能都已集成到EDK工具中，使用簡單、方便，內核啟動靜態創建線程，而動態分配內存，可加載或卸載不同功能模塊來實現內核的高擴展性。 本設計主要采用LwIP3．OOb(Light weight Internet Protocol stack)協議模塊套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP／IP協議棧中，LwI-P3．00b提供二種API模式：Socket模式和RWA模式，由于Socket模式開發難度不大，只要啟動Xemacif input thread線程，從中斷響應的過程中接收數據包并轉移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考慮我們決定上層協議部分協議模塊采用Socket模式，因此需在MSS文件里對LwIP進行例化(包括相應的LwIP參數設置)從而減少存儲器利用量和代碼編寫。 3．2 網絡通信程序的實現與設計 網絡通信程序主要完成從超極終端發送數據，傳到Simulink中的ICP／IP接收模塊。下面是主要的網絡通信程序： Server_thread()函數是Xilkernel的第一個線程，初始化LwIP協議棧。 ServerAppThread()函數可完成MAC、IP、掩碼以及網關的配置，并完成Socket應用。 以太網的配置如下： 當服務器程序開始運行時，主進程就創建一個套接字， 并通過bind函數綁定，用函數listen進行*，之后用lwip_accept進行接收，然后用sys_thread_new啟動進程，processGet和Process Command函數分析數據包的內容并應用web serber定義的相關的命令實現相關的應用，write函數實現數據的發送，完成Socket服務并把數據發送給客戶端。 Simulink中用TCP／IP模塊，remote address參數設定為(211、80、192、237)，端口設定為80，即與IP4_ADDR(＆ipaddr，211，80，l92，237)和address．sin port=htons(80)設為一致，這樣就保證了接收與發送網絡地址和端口的一致性，保證數據傳輸的可實現性。設計發送的數據為：t=0：0．25：10，Y=sin(2*pi／10*t)，數據列表如下： 對應的Simulink接收模塊的數據圖形顯示如圖5所示。 由圖5我們可以看出，接收到的數據和發送的數據基本一致。 4 結論 本文研究了TCP／IP通信協議在Xilinx公司FPGA上的實現，介紹了其軟硬件的系統組成及原理，通過建立一個例子加以說明和應用這個設計平臺，證明了此平臺設計可行性，并且完成了FPGA與Matlab的通信，為數據的實時顯示及實時控制提供了很好的平臺和設計方法，本設計也完成了CPU軟核設計的實現，其功能可根據需要進行定制，非常靈活，不但引入了軟核處理器和嵌入式操作系統Xilkernel，而且應用了Lw-IP_300b棧，使用大量的IP核，這樣大大降低了系統平臺的復雜度，縮短了開發的周期，其軟硬件部分的設計分離的設計架構，使得整個系統修改和重構更加方便，真正實現了所謂的片上系統。而本設計采用Matlab接收數據，并且可利用其強大的數據采集、處理、仿真、實時動態顯示的功能來更好完成數據分析研究。 |
