基于SOPC技術的嵌入式以太網網絡終端設備解決方案設計詳解

1 引言

近年來隨著網絡的快速發展，以太網因其寬帶、擴展性強、組網靈活而成為應用最廣泛的數據接入網絡。以太網的網絡終端設備是網絡的重要組成部分，是網絡與網外互訪信息的協議界面和工作平臺。嵌入式以太網網絡終端設備采用嵌入式處理器技術，使用嵌入式操作系統，內嵌網絡接口和網絡通信協，可直接接入以太網。由于嵌入式網絡終端設備具有成本低、體積小、高可靠、微功耗、環境適應能力強等諸多優勢，在通信和工業控制等領域正得到日益廣泛的應用。本文主要介紹用SOPC技術構建嵌入式以太網網絡終端的設計和實踐?；赟OPC技術的嵌入式以太網網絡終端能夠為多種聯網應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內核的處理器、系列處理器等不同，SOPC技術的是把處理器作為“內核”嵌入到芯片中，在可編程芯片上實現系統功能?？汕度氲奶幚砥鲀群擞袃煞N：硬核或軟核。其中軟核因為成本低、可重構性強、功能靈活、適用的芯片范圍廣等特點更適合于應用在中小批量生產的差異化產品中。

采用硬件技術處理信號，又可以通過軟件反復編程使用，能兼顧速度和靈活性，實時性能可以精確預測和仿真。FPGA芯片的一個顯著優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的進步，目前FPGA單片所含的邏輯門和片上存儲器的容量發展很快，百萬門級的可編程邏輯芯片已成為尋常產品。因此在一般算法復雜度的多路信號處理（通常語音通信和工業控制均可歸入該范圍）中，FPGA比DSP更能勝任工作，而且并行處理的路數越多，這個優勢越突出。是公司開發的一種軟核處理器。應用SOPC技術把配置進FPGA芯片后，網絡終端備不再需要外部處理器，用單一FPGA芯片就可以實現以前需要FPGA+CPU才能完成的功能。

2　網絡終端的總體設計

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

在圖1中，FPGA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，兩個數字鎖相環（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，擦寫次數可達100萬次。數據存儲器選用公司的芯片MT48LC4M32B2，存儲容量16MByte，訪問速度5.5ns。使用較大容量的數據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預留空間。

以太網接口芯片采用。該芯片是 公司生產的一種局域網信號處理芯片，內部集成了片上RAM，其模擬前端包括了曼切斯特編解碼器、時鐘恢復電路、10BASE-T收發器和及一個AUI口。的MAC（媒體訪問控制）引擎負責以太網數據幀的發送和接收，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（循環冗余校驗）碼。芯片在網絡物理層符合IEEE802.3以太網標準，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轉換通道和一個16bit的D/A轉換通道，A/D和D/A轉換通道的增益可分別在38dB和21dB范圍內編程控制，每一個通道都在聲音頻帶范圍內提供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試系統，串口用于連接PC機進行系統的軟件調試及在聯網應用中傳送信息到外部設備。

終端的軟件部分主要由嵌入式操作系統μC/OSⅡ、網絡協議LWIP及應用軟件組成。嵌入式操作系統是一種實時的、支持嵌入式應用的操作系統，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議等。與PC操作系統相比較，嵌入式操作系統在系統的實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應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（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備和多種通信協議，可以有較多的手段實現外圍硬件的驅動。完備的操作系統支持很多通信協議，采用操作系統后，可直接調用這些協議實現通信，避免過多的底層編程耗費時間精力，減少出錯。

在本網絡終端中選擇μC/OSⅡ作為嵌入式操作系統。μC/OSⅡ是一個相對成熟而且是免費的嵌入式操作系統，適合小型控制系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良等特點。其缺點是對于文件系統及網絡的復雜應用等方面的支持遜于商業性的嵌入式操作系統。

在網絡通信軟件方面，選擇了LWIP來實現TCP/IP通信。LWIP是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等學者開發的源代碼開放的免費TCP/IP協議棧。LWIP既可運行于操作系統上，也可以獨立運行。LWIP可以提供類似于Berkeley 套接字的應用程序接口，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上。因為μC/OSⅡ操作系統沒有自帶的TCP/IP協議棧，本網絡終端把lwIP移植到μC/OSⅡ操作系統上，使其成為操作系統的網絡模塊，這樣網絡通信就可以置于μC/OSⅡ的控制之下。

3　SOPC的開發流程

使用軟核處理器開發系統有其獨特的開發流程。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，使用的工具主要是Altera公司的設計軟件。這些軟件工具包括QuartusⅡ、SOuilder、GNUProToolkit等。

QuartusⅡ是Altera公司的FPGA設計軟件，具有設計輸入、、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設計平臺上進行系統模塊的邏輯設計。用SOPC Builder可以進行系統模塊硬件設計和底層軟件生成。進行硬件模塊設計時，SOPC Builder提供圖形化配置界面，備有一些常用外設的IP模塊，如、FlashRAM、、 、Intervaltimer、ParallelI/O等。這些已開發好并已經引入到SOPC Builder環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 ”加入自己的外設設計文件，或直接加外設接口?？梢圆捎玫耐庠O設計文件是用或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可以進行系統配置以及生成，系統配置除了對外設設置外還包括啟動程序、中斷向量表、系統啟動地址等的設置。應用軟件的設計在Cygwin環境中使用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和的開發者很容易使用。SOPC開發的整個流程如圖2所示。

進行系統設計時，先在QuartusⅡ中新建一個工程，然后按圖2流程進行設計。圖中，第一步是確定CPU，設置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備比如、SDRAM、FlashRAM、以及通用I/O等，加入用戶電路模塊到系統中也是在這一步。

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的SDK。至此的三步都在SOPC Builder中進行。接下來分為硬件設計和軟件設計兩路。在硬件設計方面，按圖2左邊所示流程進行片上系統設計、添加用戶電路，包括電路聯線、芯片選型、管腳設置等，通過系統后編譯生成.sof文件，并可根據需要對系統硬件進行功能模擬和時序仿真分析。在軟件設計方面，按圖2右邊所示流程進行軟件設計、編譯、鏈接，這一步的工作環境主要為SOPC Builder的軟件開發環境，也被稱為Cygnus。編譯軟件代碼用nios-build，簡寫為nb，用srec-flash來產生從FlashRAM啟動的代碼，下載軟件到系統中用nios-run，簡寫為nr。軟硬件的設計流程在最后又匯總在一起，將設計好的電路配置文件.sof通過JTAG下載到Altera FPGA中進行調試。

4　嵌入式網絡終端的設計要點

4.1　Nios處理器的

本網絡終端使用32位處理器，通過QuartusII設計平臺上的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，指令位數是16位。一般來說，16位處理器做成的系統反應要比32位的快，但32位處理器可管理的資源要比16位多。數據總線、地址總線、寄存器以及算術邏輯單元的位數可根據需要配置成16或32位。寄存器個數也是可以配置的。

Nios CPU的體系結構有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目可以根據需要設置成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

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

SOPC Builder為Nios設計了一種特別的總線———Avalon總線。Avalon是一種簡單的總線結構，規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成，用于代替傳統板子上的金屬線。SOPC Builder根據系統配置生成Avalon總線的.vhd文件，最后由QuartusⅡ根據.vhd文件成片上總線結構。本網絡終端片上系統的設置情況可以見圖3，該圖是SOPC Builder軟件的部件設置界面?？梢灾苯釉谠摻缑姘哑鹗嫉刂泛椭袛嗵栃薷某珊线m的值。

除了設置具體的部件外，還需要再設置系統的啟動地址、中斷向量表、程序內存、數據內存、主串口以及輔助串口，見圖4。這些設置和軟件目標文件的鏈接過程緊密相關。SOPC Builder將根據這些設置來生成cpu-sdk目錄中子目錄lib、inc的相關文件。

4.3　網絡接口控制

設置以太網接口芯片工作于I/O模式。通過對芯片各寄存器的操作可設置網絡終端的功能和讀取狀態信息。CS8900A的主要寄存器有：

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

RxCTL：控制CS8900A接收特定數據報，設置RxTCL的初始值為0D05H，接收網絡上的廣播或目標地址同本地物理地址相同的正確數據報。

RxCFG：控制CS8900A接收到特定數據報后會引發接收中斷，RxCFG可設置為0103H，收到正確數據報時產生接收中斷。

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

ISQ：中斷狀態寄存器，內部映射接收狀態寄存器和發送中斷寄存器內容。

Port0：發送和接收數據時，CPU通過Port0傳輸數據。

TxCMD：發送控制寄存器，如果寫入數據00C0H，那么網卡芯片在全部數據寫入后開始發送數據。

TxLength：發送數據長度寄存器，發送數據時，首先寫入發送數據長度，然后將數據通過Port0寫入芯片。

系統上電時，首先對CS8900A進行初始化，寫寄存器LineCTL、RxCTL、RxCFG、BusCTL。發送數據時， 寫控制寄存器TxCMD，并將發送數據長度寫入TxLength，然后將數據依次寫入Port0口，數據就可以發送出去了。接收到數據時CS8900A將觸發中斷，在其中斷處理程序中可以接收數據并處理。

4.4　AD/DA電路

網絡終端能夠采集數字信號和模擬信號，數字信號可直接送入FPGA處理，模擬信號則需通過AD73311L芯片轉換為數字信號后送入FPGA處理。AD73311L工作時先進行初始化，設定采樣率、輸入輸出增益等，再讓其工作在數據傳輸模式下就可正常工作。

AD73311L的數據采用串行方式與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，并設置相應的管腳與外電路相連。

4.5　軟件組成

和Nios CPU配套的軟件開發工具可在cygwin中使用。cygwin是RedHat公司開發的運行于windows平臺下的仿linux環境。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部分由設計者組織并編寫修改?；赟OPC技術的結構如圖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程序創建最終的應用程序。Makefile文件定義了目標文件（target）和依靠文件之間的依賴關系，以及由依靠文件產生目標文件應該執行的命令。

整個軟件包共有4個Makefile文件。μC/OSⅡ操作系統的Makefile文件位于目錄librtos32中，負責編譯操作系統代碼，最終產生操作系統支持庫文件librtos32.a。網絡通信協議lwIP部分的Makefile文件位于src目錄，負責編譯網絡支持部分代碼，最終生成庫文件liblwip.a。網絡終端應用軟件的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行程序。

4.6　系統的啟動

網絡終端采用的啟動程序為Nios開發工具包中自帶的監控程序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，可以在操作系統運行之前啟動系統。在配置硬件的時候，設置Nios的啟動地址為片上ROM的地址，系統上電復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驅動。對硬件的初始化檢測、硬件外圍設備工作狀態的設定都可以在啟動程序中進行。執行初始化之后，Germ Monitor把放置在Flash RAM中的應用程序加載到SDRAM中，然后跳轉到應用程序，即可按設計要求運行以太網網絡終端的各項功能。

5　結語

經過以上設計，調試除錯后，嵌入式以太網終端就能夠正常工作了。把兩塊這樣的終端電路板用網線連接到局域網上，分別設定其IP地址，運行應用軟件即可實現多種功能。把PC機的串口和網絡終端的串口互連，能夠從PC機監視終端的工作狀態。

經試驗，在這兩個終端間成功地實現了語音通信和Telnet數據通信。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，能夠為設計嵌入式以太網網絡終端設備提供一種高效、靈活、低成本的解決方法，SOPC技術的多項特點使其成為嵌入式系統的一種富有競爭力的。