（信号与信息处理专业论文）基于sopc技术的嵌入式web服务器的设计与实现.pdf

内蒙古大学硕士学位论文 基于s o p c 技术的嵌入式w e b 服务器的设计与实现 摘要 随着i n t e m e t 的发展，各种嵌入式设备与i n t e m e t 结合将代表嵌入式系统新 的发展方向，嵌入式w e b 服务器不仅可以提供丰富的图形用户界面实现远程管 理监控的功能，并且可以在服务器端进行进一步开发，丰富各种嵌入式功能。 基于f p g a 的s o p c ( 可编程片上系统) 设计技术是当前电子设计领域的最 前沿技术之一，本文采用基于n i o si i 软核的s o p c 设计方法，提出一种“n i o s i i t c o s i i + l w i p ”的解决方案。在c y c l o n e 系列f p g a 开发板上构建一个s o p c 系统，以n i o si i 软核处理器为主控制器，实时多任务操作系统p , c o s i i 为软件运 行平台，嵌入式网络协议栈l w l p 为应用层通信协议，开发了一种嵌入式的w e b 服务器。由于c p u 本身是以n i o si i 软核的方式实现，其功能可根据需要进行定制， 非常灵活，加上s o p cb u i l d e r 提供了现成的网络协议栈，使得嵌入式w e b 服务器 具有集成度高、可重构、设计灵活、开发周期短等优点，为实现更复杂功能的 w r e b 服务器打下了基础。 经过在实验室局域网内实际运行操作，表明本论文提出的实现方案是切实 可行的，实现了嵌入式系统的i n t e m e t 接入，用户通过以太网和h t l 阳数据传输 可以共享小型嵌入式设备的信息，达到了预期的效果。进而可以为系统的远程 视频控制、数据采集等提供一种新的良好的解决方案。 关键字：w e b 服务器；s o p c ；n i o si i 软核处理器；l w l p ；r t l 8 0 1 9 内蒙古大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e d w e bs e r v e rb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，c o m b i n e dw i t ht h ei n t e m e tw i l lr e p r e s e n tt h e n e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s ，e m b e d d e dw e bs e r v e rc a nn o t o n l yp r o v i d ear i c hg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ef o rr e m o t em a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g ， b u ta l s os u p p l yf u r t h e rd e v e l o p m e n to nt h es e r v e rs i d e ，t oe n r i c hv a r i e t yo fe m b e d d e d f u n c t i o n s s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) d e s i g nt e c h n o l o g yb a s e do nf p g ai s t h ef o r e f r o n to fe l e c t r o n i cd e s i g nt e c h n o l o g i e sf i e l d ，t h i sp a p e rp r o p o s eas o l u t i o no f “n i o si i + i ，t c o s i i + l w l p ，u s i n gn i o si is o f tc o r es o p cd e s i g n i n g i te s t a b l i s h e d as o p cs y s t e mi nt h ec y c l o n es e r i e sf p g ad e v e l o p m e n tb o a r d ，t o o kn i o si is o f t c o r ep r o c e s s o ra st h e p r i m ec o n t r o l l e r , r e a l t i m em u l t i t a s k i n go p e r a t i n gs y s t e m i t c o s i i f o rs o f t w a r ep l a t f o r m ，a n de m b e d d e dn e t w o r kp r o t o c o ls t a c kl w l pf o r a p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d e v e l o p e da ne m b e d d e dw e bs e r v e r t h e c p ui t s e l fi sb a s e do nt h en i o si is o f tc o r e ，i t sf u n c t i o nc a nb ec u s t o m i z e da sn e e d e d a n dv e r yf l e x i b l e ，i na d d i t i o n ，s o p cb u i l d e rp r o v i d e sar e a d y - m a d en e t w o r kp r o t o c o l s t a c k ，t h i se m b e d d e dw e bs e r v e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hi n t e g r a t i o n ， r e c o n f i g u r a b i l i t y , d e s i g nf l e x i b i l i t y , s h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，e t c ，i t l a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no fm o r ec o m p l e xf e a t u r e so ft h ew e bs e r v e r a f t e rp r a c t i c a lo p e r a t i o ni nt h el a b o r a t o r yl a n ，i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g n m e t h o dt h i sp a p e rp r o p o s e di sf e a s i b l e ，i tm a d et h ee m b e d d e ds y s t e m sa c c e s st o i n t e r n e t ，u s e r sc a ns h a r ei n f o r m a t i o nf r o ms m a l le m b e d d e dd e v i c e sv i ae t h e m e ta n d h r t pd a t at r a n s f e r a n dt h e n ，i tc a np r o v i d eag o o ds o l u t i o nf o rr e m o t ev i d e os y s t e m c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r ；s o p c ；n i o si is o f tc o r ep r o c e s s o r ；l w l p ； r t l 8 0 1 9 内蒙古大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 计算机技术的进步推动着社会各个领域的发展，各种高性能嵌入式微处理器的出现，使 得嵌入式技术的应用越来越广泛。将日益成熟的网络技术应用到嵌入式系统已经成为嵌入式 系统必然的发展趋势。据专家预测，下一代网络设备中嵌入式设备将极大地增加，将来在互 联网上传输的信息中，7 0 左右将来自于嵌入式系统。由于嵌入式w e b 服务器体积小，价格 低，操作和维护方便，其适用范围将越来越广泛，可用于工业自动化，智能大厦，智能仪器， 信息家电等领域，成为后p c 时代研究的热点。相比于传统的w e b 应用系统，嵌入式w e b 服 务器方法新颖、独特，大大简化了系统结构，并将信息采集、发布都集成到现场测控设备中。 因此，研究在f p g a 上实现嵌入式w e b 服务器很有必要。 a l t e r a 公司的n i o si i 是基于s o p c 技术的3 2 位嵌入式软核处理器系统。与同类型产品相 比，n i o si i 更能体现s o p c 技术思想，它作为一种新技术，在国外己经有了广泛的应用，但 是在国内使用n i o si i 处理器的嵌入式设计和开发还是处于起步阶段。开发者大多使用已经得 到市场验证比较稳定的处理器产品，对于n i o si i 应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。 因此，从新技术学习应用和实验开发的角度入手，本文研究并设计了基于s o p c 技术的 n i o si i 软核的嵌入式w e b 服务器，将w e b 服务器技术引入到嵌入式系统，可利用己有的 i n t e m e t 网络通过w w w 浏览器实现远程监控、自动报警、传送数据等功能，实现了信息的 共享和发布。为今后的研究和工作提供了方便的试验平台n 1 。这正是本课题提出和我的论文 工作意义所在。 1 2 嵌入式w e b 服务器概述 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r , e w s ) ，顾名思义就是在嵌入式设备上构建w e b 服务器，是嵌入式技术和网络技术相结合的产物，是嵌入式技术网络化的一项重要应用，可 i 内蒙古大学硕士学位论文 以通过服务器对嵌入式设备进行操作。只要在嵌入式设备中有个微型的服务器，就可以使用 任意的一种w e b 浏览器对设备进行控制，甚至可以进行远程控制。由于有了标准的接口形式 和通信协议，内嵌于设备的w e b 服务器可以向任何接入它所在网络的合法用户提供统一的基 于浏览器方式的操作和控制界面，浏览器成了设备的前端控制板。再加上w e b 技术的开放性 和独立平台特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，提高了现场测试和 控制设备的管理水平乜1 。 1 2 1 嵌入式w e b 服务器简介 嵌入式w e b 服务器是w e b 的内容提供者。它能够响应客户端请求，并向客户端提供某种 形式的数据信息。通常，这些数据采用超文本标记语言h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e ) ， 也可提供其它形式的数据如：图像、声音、应用程序，甚至是视频。w e b 浏览器是w e b 服务 器的客户端，浏览器包括与w e b 服务器建立通信所需的软件和转换工具，以及显示从服务器 方返回数据的软件。浏览器和服务器使用t c p i p 的h t f p ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文 本传输协议) 建立连接，使得客户与服务器二者的超媒体传输变得很方便。所有客户机及w e b 服务器统一使用t c p i p 协议，统一分配i p 地址，使得客户和服务器的逻辑连接变成简单的 点对点连接。从功能上来讲，w e b 服务器监听来自客户端请求，并根据请求类型提供相对应 的服务，它将w e b 服务器引入到现场嵌入式设备中，并将信息采集和发布都集成到现场的嵌 入式设备中，在相应的软硬件平台支持下，利用标准的通信协议和接口形式，内嵌于嵌入式 设备的w e b 服务器就具备了向接入它所在网络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的界 面和操作控制。 1 2 2 发展现状与趋势 随着互联网的日益普及，嵌入式系统与i n t e m e t 的结合越来越紧密，通过嵌入式w e b 服 务器共享以微控制器为核心的嵌入式系统的信息是当今业界研究和应用的热门话题。将嵌入 式w e b 服务器移植到嵌入式系统然后接入到i n t e m e t ，是近年来才出现的一种较为先进的解 决方案。国外有许多公司和科研机构致力于嵌入式w e b 服务器的研究与开发，目前已经有多 款嵌入式w - e b 服务器软件应用于嵌入式系统的开发，比如，w i n d e rw e b s e r v e r 公司的嵌入式 2 内蒙古大学硕士学位论文 w - e b 服务器软件w i n dw e b s e r v e r 广泛应用于基于v x w o r k s 操作系统的嵌入式产品中，a l l e g r o 公司的r o m p a g e r 是一款免特许权费用，价格适合的嵌入式w e b 服务器软件，己经广泛应用 于网络设备远程监控领域。国内对嵌入式w e b 服务器研究还处在初级阶段，没有大规模的应 用，而且国内的嵌入式w e b 服务器大多是在单片机的基础上设计而成的，用微处理器开发的 并不多，目前还处在研发试验阶段。但其实嵌入式w e b 服务器应用领域十分广阔，嵌入式 w e b 服务器的成功开发案例体现于通信领域中的路由器、交换机、网络视频监控等产品。嵌 入式w e b 服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现远程管理和监控，并且 可以在服务器端结合嵌入式w e b 服务器提供的接口进行进一步开发，不需要额外的客户端软 件，采用的都是公开的标准的协议。而且控制信息可以直接反映在色彩丰富的网页上，形式 可以是数据、文字、图像、表格或语音，实时数据可以自动更新，而且客户能上网就能够操 作。通过w r e b 技术可以将原本孤立的嵌入式产品通过i n t e m e t 联系起来，使得对产品的监控、 维护变得更为容易，同时也降低了开发成本，产生了巨大的经济效益并推动社会的信息化进 程。因此嵌入式w e b 服务器具有良好的理论研究价值和广阔的市场应用前景。 1 2 3 特点及应用 1 嵌入式w e b 服务器的特点 嵌入式w e b 服务器是指在设备上嵌入w e b 服务器，使得设备与现今最大的网络i n t e m e t 实现无缝连接，无需专用的线路，通信介质是以太网，能有最大的普及范围。其传输内容不 仅限于数据，还有图像、声音等多媒体信息。它的通信协议( h t t p ) 是标准且公开的，独立于 系统平台。它所使用的h t m l 语言具有统一性，标准化界面独立于客户端的软件硬件平台， 极大地节省了客户端的开发工作。它使用w e b 架构，开放性和平台独立性能够大大降低系统 的设计工作量，同时，能提供大量工具和函数库，从而减少开发的工作量。在客户端使用任 意与i n t e m e t 互连的标准p c 就可以实现随时随地的对网页进行浏览。 嵌入式w e b 服务器主要有以下优点口1 ： ( 1 ) 统一的客户界面：客户端只需一个通用的浏览器，统一了用户界面的问题； ( 2 ) 平台独立性：浏览器所运行的平台独立于嵌入式w - e b 服务器所在的平台，真正实现了 跨平台； ( 3 ) 高可扩展性：服务器端可以在任何时候进行功能的增强与扩展，管理员通过客户端即 3 内蒙古大学硕士学位论文 可完成这些操作，实现了远程管理和控制； ( 4 ) 并行性与分布性：嵌入式w e b 不仅实现了跨平台，也是一个多处理机系统和分布式系 统，可并发处理多个不同用户的服务请求。 2 嵌入式w 曲服务器的主要应用 嵌入式w e b 服务器技术的几个典型应用实例如下： ( 1 ) 网络视频监控在生产过程管理中的应用 基于嵌入式w e b 服务器技术的远程网络视频监控中的应用的原理是在视频服务器内置一 个嵌入式w e b 服务器。摄像机传送来的视频信号经数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部 总线传送到w e b 服务器。用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的视频。主要可应用于企 业生产现场调度指挥系统，以确保监控场所内设备的可靠运行及人员安全。相对传统的监控 系统而言，它具有节省费用、即插即看、高性能、独立网络环境和设备的灵活接入等优点。 ( 2 ) 远程监测与故障诊断在电力系统中的应用 将w e b 技术与监测及故障诊断技术的结合，把w e b 服务器放在设备处，与设备集成在一 起，用户通过w e b 浏览器监测设备状态，同时可通过浏览器编程的方式控制设备端的数据采 集方式。通过合理分配计算任务，充分发挥客户机的强大的计算能力，减轻设备端的计算负 荷。恰当地将w e b 技术与设备的监测与故障诊断技术结合起来，突破了监测及故障诊断原来 相对封闭的概念框架，是对设备监测与故障诊断技术的提升。 ( 3 ) 保护和控制设备在工业控制自动化系统中的应用 将嵌入式w e b 服务器技术应用在工业控制自动化系统中，通过w e b 浏览器获取嵌入式 w e b 服务器中的系统实时信息，进而实现远程实时控制、调节和维护。可更充分发挥嵌入式 w e b 服务器技术的优势，提高远程监测和控制水平n 1 。 综上所述，嵌入式w e b 服务器系统不仅能够适应用户不断增长的各方面需求，适应多种 应用场合，还符合市场经济的发展规律，顺应时代潮流，具有一定的经济价值和实用价值。 1 3 论文主要内容及所做工作 本论文设计并实现了基于s o p c 技术的嵌入式w e b 服务器，简单介绍了s o p c 技术的 4 内蒙古大学硕士学位论文 特点及构建方法，随后对该嵌入式w e b 服务器的实现在硬件和软件两方面都作了详细论述， 成功实现了嵌入式系统接入i n t e m e t ，拓展了嵌入式系统的网络功能。 论文的研究内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 利用s o p c 技术构建了基于n i o si i 软核的嵌入式网络传输控制平台； ( 2 ) 嵌入式实时操作系统i t c o s i i 在n i o si i 软核上的移植，以及l w i p 协议栈在i t c o s i i 上的移植； ( 3 ) 嵌入式w e bs e r v e r 的建立和网页的显示功能。 论文章节安排： 第一章简要介绍论文研究的背景及意义，嵌入式w e b 服务器的发展现状、优势和应用 以及本篇论文的结构安排等内容； 第二章介绍基于s o p c 技术及n i o si i 处理器系统的架构特点及开发环境等，主要对n i o s 嵌入式软核处理器平台进行阐述。 第三章分析了本文所采用系统的硬件平台和n i o si i 内核的构建。以q u a r t u si i 和s o p c b u i l d e r 为主要设计环境，为嵌入式以太网的实现成功构建了硬件平台，为软件部分的设计奠 定了基础。 第四章重点分析嵌入式网络协议栈l w l p 和嵌入式操作系统p c o s i i ，以n i o si ii d e 为 设计环境，实现了操作系统模拟层和网络接口函数的编写。 第五章对所设计的基于h t t p 协议的w e b 服务器做了测验和分析，表明本设计实现了 一个适用于局域网的小型的w e b 服务器，达到了预期效果。 第六章总结论文主要做的工作、文章的创新性、不足之处以及嵌入式w e b 服务器的发 展方向。 内蒙古大学硕士学位论文 第二章基于n i o si i 软核处理器的s o p c 技术 2 1 1s o p c 及其技术 2 1s o p c 技术简介 基于f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的电子系统设计技术是2 1 世纪的电子应用工 程师必备的基本技能之一，而基于f p g a 的s o p c ( s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ) 设计技术是 当前电子系统设计领域最前沿的技术之一。a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 等全球最重要的f p g a 和 e d a 公司都分别推出了s o p c 系统解决方案。 把整个系统集成到一个芯片上，就是所谓的s o c 技术，即片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 。 而如何把一个系统所需的嵌入式功能模块，也就是i p 核，放到可编程器上组成系统，就是所 谓的s o p c 技术，即可编程的片上系统。 s o p c 是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出来的一种灵活、高效的基于f p g a 解决方案 的s o c ，是可编程器件和s o c 技术的融合。s o p c 首先由单个芯片完成整个系统的主要逻辑 功能，其次它具有可编程性，可以灵活地裁减、扩充或者升级这个系统而无需改变硬件。它 具备以下基本特征：1 ) 至少含一个嵌入式处理器内核；2 ) 具有小容量片内高速r a m 资源； 3 ) 丰富的i pc o r e 资源可供选择；4 ) 处理器调试接口和f p g a 编程接口。 2 1 2s o p c 技术的解决方案 在f p g a 中嵌入i p 硬核和嵌入i p 软核构成了目前两种主流的s o p c 解决方案。 ( 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。指和特定工艺相联系的物理版图，设计的正 确性已经得到验证，可以在新设计中作为特定的功能模块直接调用。目前最为常用的嵌入式 系统大多采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。 ( 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 6 内蒙古大学硕士学位论文 在硬核实现方案中，由于i p 硬核是预先植入的，其结构不能改变，功能也相对固定，无 法裁剪硬件资源，而且此类硬核多来自第三方公司，其知识产权费用导致成本的增加。为此 提出了在f p g a 中嵌入软核的s o p c 解决方案。最具代表性的是a l t e r a 公司的n i o si i 软核。 2 1 3s o p c 与m c u 、d s p 、和f p g a s o p c 可以将m c u 、d s p 和f p g a 完美结合，即s o p c = m c u + d s p + f p g a 。 ( 1 ) s o p c 与m c u 以5 1 系列单片机和a r m 微处理器为代表的m c u 家族因丰富的软件系统支持，在控制 和处理人机接口领域占据绝对的领先地位。目前，在大容量的f p g a 中可以嵌入1 6 3 2 位的 m c u ，例如a l t e r a 公司的f p g a 可嵌入一个或多个软核c p u ( n i o si i ) 。 ( 2 ) s o p c 与d s p 在海量数据处理方面，d s p 可谓占尽了风头。在s o p c 中，各种d s p 算法的i p 核已经相 当成熟和丰富，例如f f t 、i i r 、f i r 等，利用d s pb u i l d e r 可以很方便地把现有的数字信号 处理i p 添加到工程中去。 ( 3 ) s o p c 与f p g a s o p c 一般采用大容量的f p g a 作为载体，除了在一块f p g a 上定制m c u 处理器和d s p 功能模块外，还可以设计其他逻辑功能模块，实现m c u + d s p + f p g a 在一块芯片上集成。例 如，可采用a l t e r a 公司的c y c l o n e 、s t r a t i x 等大容量的f p g a 实现片上系统。 2 2 基于n i o si i 软核处理器的s o p c 技术概述 2 2 1n i o si i 软核嵌入式处理器简介 基于s o p c 技术的n i o si i 处理器是a l t e r a 公司的第二代用户可配置的通用3 2 位软核微 处理器，是a l t e r a 公司特有的基于f p g a 架构的软核c p u ，是一个可变结构的、通用型的嵌 入式处理器。使用n i o si i 处理器能与设计者的设计思想相结合并将其编程到f p g a 之内予以 内蒙古大学硕士学位论文 实现。整个n i o si i 系统的设计过程充分体现了其可重配置的思想，体现了面向用户，面向应 用的s o p c 技术设计思想阳1 n i o si i 处理器系统是指在一个芯片上包含一个或多个可配置的n i o si ic p u 软核，与c p u 相连的片内外设和片外存储器，以及外部设备的接口，所有组件通过a v a l o n 总线系统相连， 并在一个f p g a 上实现，其典型结构如图2 1 所示。 与软件调试之间 的j t a g 连接 图2 1 n i o si i 处理器系统典型结构图 f i g 2 1 a t y p i c a lb l o c kd i a g r a mo f t h en i o si ip r o c e s s o rs y s t e m 与一个固定的、成型的微控制器不同的是，n i o si i 处理器是一个可配置的软核处理器。 “可配置”是指为了满足性能和成本要求，其特性和外设可以根据需要自由增加或裁剪。这 种量体裁衣的嵌入式系统可以更好的节省硬件资源，使得嵌入式系统的体积更小，可以更好 的适应各种工作环境。“软核”意味着c p u 核以“软”的设计形式( 即不固定在硅片上) 被提 供，可以被写进a l t e r a 公司f p g a 的任何系统中。 2 2 2n i o si i 软核处理器的特性 采用n i o si i 处理器，用户将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的要求定 制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外，用户还可以轻松集成自己专有 的功能( 如d s p ，用户逻辑等) ，创建一款“完美”的处理器，如图2 2 所示，使用户的设计具 8 内蒙古大学硕士学位论文 有独特的竞争优势。这些优势的实现都借助于在a l t e r a 的f p g a 上创建一个定制的片上系统， 或者更精确地说，是一个可编程单芯片系统。大量采用i p 复用、软硬件协同设计、自顶向下 和自底向上混合设计的方法，边设计、边调试、边验证，原本需要写上几千行的v e r i l o gh d l 代码的功能模块，通过嵌入m 核后，只需几十行c 代码即可实现。因此，可以使得整个设计 在规模、可靠性、体积、功耗、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等 多方面实现最优化。 1 1 篡 垮 i j 0c p u i凹u 。!f l 笛h 譬 毪l s d r a l o f p g a d s pi ：o 瓤穗一毫、垂 内蒙古大学硕士学位论文 多个处理器来获得所需的系统性能。 2 ) f p g a 系列支持n i o si i 处理器可以工作在所有近来a l t e r a 推出的c y c l o n e 、c y c l o n e i i 、s t r a t i x 、s t r a t i xi i 系列的f p g a 上。 3 ) 定制指令用户定制指令是一个扩展处理器指令的方法，最多可以定制2 5 6 个用户 指令。定制指令处理器还是处理复杂的算术运算和加速逻辑的最佳途径。 4 ) 硬件加速通过将专用的硬件加速器添加到f p g a 中作为c p u 的协处理器，c p u 就可以并发处理大块的数据。 3 降低系统成本 1 ) 更大规模的系统集成将一个或更多的n i o si i 处理器组合，选择合适的外设、存 储器、i o 接口，利用这种方法可以减少电路板的成本、复杂程度以及功耗。 2 ) 优化f p g a c p u 的选择c y c l o n e 系列的f p g a 提供可行的、低成本的嵌入式方案。 经济型的内核( n i o si i e ) 只占用不到3 5 美分的c y c l o n e 器件资源，仅占用6 0 0 个逻辑单元，给 其他片外的器件保留了更多的逻辑资源。 4 延长产品的生命周期 1 ) 加快产品的上市时间，延长了产品的生存时间，在产品产量增加的情况下减少成本。 2 ) 建立有竞争性的优势带有一个或多个n i o si i 处理器的s o p c 系统由于具备了硬件 加速、定制指令、定制且可裁减的外设等配置，在竞争中占有一定的优势。 2 3 基于n i o si i 的s o p c 系统开发环境及流程 基于n i o si i 的s o p c 系统开发环境分为两个部分：硬件开发环境和软件开发环境。硬件 ( 按照习惯说法，将一个s o p c 系统中的n i o si ic p u 和外设等统称为硬件，虽然它也是有软 件来实现的；而在这个系统上运行的程序称为软件) 开发环境主要包括q u a r t u si i 以及集成在 q u a r t u si i 内s o p cb u i l d e r 。软件开发环境主要是n i o si ii d e 。 1 硬件开发环境q u a r t u si i 与s o p cb u i l d e r 简介 q u a r t u si i 软件是a l t e r a 公司开发的最先进的f p g a 开发软件，在统一的设计环境下提供了 i o 内蒙古大学硕士学位论文 丰富的综合、优化和验证工具。本系统采用的是q u a r t u si i6 0 版，其输入可通过图形，文本两 种方法编辑，支持a h d l 、v h d l 、v e r i l o gh d l 语言。可进行时序分析，功能仿真和波形分 析及器件编程和校验。支持管脚分配，具备强大的逻辑综合能力。q u a r t u si i 软件的编译器是 系统的核心部位，它具有功能强大的逻辑处理能力。设计者可以添加特定的约束条件来提高 f p g a 资源的利用率，自动的错误定位和完备的错误和警告信息文档使得设计修改变的简单。 q u a r t u si i 软件中的s o p cb u i l d e r 是用来开发n i o si i 处理器的工具。用户使用s o p cb u i l d e r 可以将软核、存储器、接口和微处理器等复杂系统组件快速地集成至l j a l t e r a 的f p g a 中，从而 缩短设计周期。s o p cb u i l d e r 是一个软件工具，它属于一种基于i p ，或者平台的设计方法。 利用s o p cb u i l d e r j 丰j 户可以很方便地将处理器、存储器和其他外设模块连接起来，形成一个 完整的系统。s o p c b u i l d e r 中已包含了n i o si i 处理器，以及其他一些常用的外设i p 模块。用 户也可以设计自己的外设p 。 从用户的角度来看，s o p cb u i l d e r 是一个能够生成复杂硬件系统的工具。但从内部来看， s o p cb u i l d e r 包含两个主要部分：一个图形用户界面( g u i ) ，以及一个系统生成程序。s o p c b u i l d e r 图形用户界面提供管理i p 模块、配置系统和报告错误等功能；用户通过图形用户界 面设计系统。完成设计之后，点击g e n e r a t e ，则启动系统生成程序。系统生成程序通常从图 形用户界面中启动。系统生成程序执行大量的功能，创建几乎所有的s o p cb u i l d e r 输出文 件( ) l 逻辑文件，c 程序的头文件和库文件，模拟文件，等等) 。所以，s o p cb u i l d e r 可 看作是一个以i p 模块为输入，集成的系统为输出的工具。 s o p cb u i l d e r 会提示用户设置参数，并提示使用哪些可选的端口和外设。一旦向导生成 了n i o si i 系统模块，则可以在设计文件中生成实例。一些常规硬软件接口、中断子程序等， 都可被s o p cb u i l d e r 包办，节约用户很多时间，而且更可靠。 2 基于s o p c 技术的n i o si i 软件集成开发环境 n i o si i 集成开发环境( i n t e r g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti d e ) ，是n i o si i 的基本软件 开发工具。所有软件开发过程都可以在n i o si ii d e 下完成，包括编辑、编译和调试运行程序。 n i o si ii d e 为软件开发提供四个主要的功能n0 。： ( 1 ) 新工程向导和软件模板：主要用于自动建立c c + + 应用程序工程和系统库工程，能够 比较容易地创建工程；软件工程模板以模板的形式提供软件代码示例，开发人员能够将自己 的代码添加到工程中，还可以通过软件组件来为特定的硬件配置系统，通常包括n i o si i 运行 1 1 内蒙古大学硕士学位论文 库、轻量级t c p i p 协议、m c r o c o s i i 实时操作系统；a l t e r a 压缩文件系统。 ( 2 ) c c + + 编译器：提供一个图形化界面和易用的按钮式流程，使设计软件更容易。 ( 3 ) 编辑器和编译器：一个全功能源码编辑器，引入了快速定位、自动纠错、调试等功能。 ( 4 ) 调试器：提供基本的调试功能和一些高级功能。如运行控制、调用堆栈查看、反汇 编代码查看、数据触发指令跟踪等。 ( 5 ) 闪存编程器：提供了一个方便的闪存编程方法，任何连接到f p g a 的闪存接h ( c f i ) 的闪存器都可以通过此闪存编程器来烧写n 朝n 6 。 3 基于n i o si i 的s o p c 系统开发流程 s o p c 系统的开发流程一般分为硬件和软件两大部分，如图2 3 所示。 图2 3s o p c 系统开发流程 f i g 2 3 s o p cs y s t e md e v e l o p m e n tf l o w 图2 3 中，建立一个“以n i o si ic p u 为核心，以a v a l o n 总线为纽带，将各种硬件设备连 接起来”的n i o si i 系统；这个系统在f p g a 中运行，所以必须挂在一个q u a r t u si i 工程中， 用左边的q u a r t u si i 进行分配引脚等工作，生成硬件文件，进行f p g a 的硬件配置，生成硬件 系统；接着，右边的n i o si ii d e 就可以在此基础上设计应用程序，生成软件文件；最后将硬 件系统和软件程序分别下载到f p g a 上，就可以控制和访问硬件了。 1 2 蕊内蒙古大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计方案概述及实现 本章将详细介绍硬件系统的设计过程。利用s o p cb u i l d e r 搭建出一个基于n i o si i 软核 处理器的硬件系统，并定制一个网络接口控制器以连接外部网卡芯片r t l 8 0 1 9 。首先在 q u a r t u si i 集成的s o p cb u i l d e r 开发工具中设计一个n i o si i 系统，接着把n i o si i 系统作为一 个模块添加到q u a r t u si i 中，然后在q u a r t u si i 顶层模块中添加其他的单元和引脚，完成系统 的总体设计。本章的重点是s o p cb u i l d e r 中n i o si i 系统的构建。 3 1 系统硬件平台简介 本设计用到的主要器件包括两大部分：红色飓风二代f p g a 开发板及其配套的扩展卡、 r e a l t e c k 公司的r t l 8 0 1 91 0 m 的以太网卡，下面分别对其进行简单介绍。 3 1 1c y c l o n e 系列e p l c 6f p g a 芯片 与传统的微处理器系统类似，在s o p c 系统设计中，系统的基本框架结构为c p u ，存储 器，外设等。本设计中的硬件平台以c y c l o n e 系列e p l c 6 q 2 4 0 c 8f p g a 芯片为核心，包 括存储设备s d r a m 和f l a s h 、字符显示设备l c d 、系统时钟、串行配置芯片、并行i o 口、 f p g a 配制接口等。开发板实物图如图3 1 所示n7 1 。开发板主要器件包括： 支持e p c s 4 和e p c s i 其中e p c s l 可以配置e p l c 6 ，e p c s 4 可以配置e p l c l 2 ； 5 1 2 k b y t e 高速，异步s r a m 一片2 5 6 k * 1 6 b i t 的s r a m ，独立的字节使能信号； 8 m b ( 2 5 6 mb i t ) 高速s d r a m 一片8 m * 3 2 b i ts d r a m ，最高1 6 6 m h z 读写速度； 13 内蒙古大学硕士学位论文 j l x 竣谤 1 6 x 2l c d 援1 1 p s i 2 ”，17 fr r 3 1 开发板元件实物图 f i g 3 1d e v e l o p m e n tb o a r dc o m p o n e n t so fp h y s i c a lm a p 4 m b ( 3 2 mb i t ) 快速f l a s h 一片4 m * 8 b i t 或者2 m * 1 6 b i t f l a s h 读写速度为9 0 n s ； 灵活的页面方式，可以用来存储f p g a 配置文件或者操作系统镜像文件； 9 针r s 2 3 2 串口 实现与计算机上的数据通信；辅助调试，结果输出； 8 色的v g a 接口 直接v g a 显示对接，实现8 种演示的显示；用于验证v g a 时序； p s 2 鼠标，键盘接口 标准的鼠标、键盘接口，可以用来验证p s 2 接口协议，实现一个1 0 设备扩展 u s b 2 0 高速数据接口 采用c y p r e s s 公司c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片实现u s b 接口，能够与p c 之间实现高速数据传递； 功能扩展接口 通过相应的扩展板，可以实现v i d e o ，a u d i o 和w i r e l e s s 等应用。用户也可以开发自己定 义的接口板。如音视频接口板( r e c a v ) 或网络接口扩展板( r c e n e t ) 等。 1 4 篷内蒙古大学硕士学位论文 3 1 2 r t l 8 0 1 9 以太网控制器 在嵌入式系统网络化开发的过程中，首先要解决的就是与以太网络的连接问题，即如何 将以太网络控制器应用于嵌入式网络的开发。这里我们选用r e a l t e c k 公司推出多年的 r t l 8 0 1 9 以太网控制器( 见图3 2 ) 。 图3 2r t l 8 0 1 9 以太网卡 f i g 3 2 r t l 8 019e t h e m e tc a r d 利用r t l 8 0 1 9 可以在n i o si i 系统中方便的建立起完整的网络服务器，可以通过网络从 f p g a 芯片构成的软嵌入式系统中收发数据。由于其优良的性能，低廉的价格，使其在l o m b p s 网卡中占有相当的比例。它还具有与n e 2 0 0 0 兼容、软件移植性好，以及低廉的价格等优点。 r t l 8 0 1 9 集成了m a c 层和p h y 层的功能，支持i e e e 8 0 2 3 协议标准，支持全双工通信，处 理器只需向该芯片发送读取数据报，就可以完成以太网通信，以太数据链路层，物理层的相 关操作。芯片内部提供1 6 k 的s r a m 作为数据接收和发送的缓冲区，一部分存放接收的数据 包，一部分存储待发送的数据包n 引。 r t l 8 0 1 9 与以太网的接口采用无屏蔽双绞线r j 4 5 接口，这部分接口较简单，只需一个 隔离变压器和r j 4 5 接口连接即可。网络变压器，又叫发送接收滤波器，在此我们选用p p t 网 络隔离变压器，主要功能有隔离、电压变换和阻抗匹配，用来把信号变换成平衡信号传输， 以减少共模干扰，提高传输距离，对系统电路起到保护作用，并完成信号的传输。通过它将 r j 4 5 外部接口与r t l 8 0 1 9 连接。 内蒙古大学硕士学位论文 3 2 定制用户i p 模块 在s o p cb u i l d e r 的m 库中，没有该型号e t h e m e t 接口组件可用，所以需要用户自己创建 r t l 8 0 1 9 以太网接口组件。具体创建过程如下： 1 首先在q u a r t u si i 中选择图标簟，进入s o p cb u i l d e r 定制界面，如图3 3 所示，s o p c b u i l d e r 设计界面分成五部分：上方是菜单栏，包含基本的菜单命令；菜单栏下方是标签栏， 包含s y s t e mc o n t e n t s 和s y s