（控制理论与控制工程专业论文）基于单芯片的视频led网络控制器的研究与开发.pdf

摘要 摘要 题目：基于单芯片的视频l e d 网络控制器的研究与开发 作者：庄车 导师：白瑞林教授 专业：控制理论与控制工程 近年来l e d 显示技术发展迅速，l e d 全彩显示屏得到了广泛的应用。l e d 显示技术涵盖了微 机控制、视频、光学、机械和数字图像处理等多种技术。针对现有l e d 显示系统数据传输和显示存 在的缺陷和开发难度，本文提出并实现了一种新型的l e d 控制系统方案。 本课题针对目前视频l e d 屏幕发展的需要，提出了基于单芯片的大屏幕网络控制系统。该方案 充分利用a l t e r a 公司的n i o s i i 软核处理器以及s o p c 技术构建了网络控制器硬件平台。用c 语言实 现了网卡芯片l a n 9 1 c 1 1 1 的驱动，用硬件描述语言v h d l 和v e r i l o gh d l 实现了自定义i p 核的设 计。在s o p c 系统中协调软硬件设计，通过添加自定义口核和优化网卡驱动程序，实现了t o e 和 r d m a 功能，以及和外部s r a m 构成大容量f i f o 及相关外围时序逻辑。 根据课题需要，将系统划分为若干功能模块，构建了基于单芯片的视频l e d 网络控制器系统， 并对其关键技术进行了研究。本文共分七章，依次从多方面对项目的设计进行了详细的阐述。第一 章阐述了课题的背景，对l e d 控制芯片、s o p c 和t o e 技术的现状和发展趋势做了分析，提出课题 的任务：第二章从整体结构上阐述了系统原理，分析了项目的需求，并根据项目需求，提出系统的 设计方案，分析了如何在s o p c 中实现t o e 和r d m a 功能，介绍了软硬件组成及开发工具；第三 章介绍了系统硬件和自定义i p 核的开发实现，包括d m a 的使用，网卡功能的分析，i p u d p 协议接 收端处理器和输出控制模块的设计步骤，用自定义i p 核和外部s r a m 构建了大容量f i f o ，实现视 频数据的码流缓冲；第四章介绍了系统的软件实现部分，着重讲述了网卡驱动的优化设计和d m a 的h a l 实现；第五章从控制器和整体系统两方面对项目设计进行了测试；最后一章对本系统的设计 做了总结，并对项目的后续设计进行了展望。 本文从项目研究开发出发对基于单芯片的l e d 大屏幕网络控制器的设计过程进行了详细的描 述和分析，并对各功能模块的实现做了仿真测试。系统在s t r a t i xe p l s l 0 f 7 8 0 c 6 上实现布局布线， 当n i o s l i 工作在5 0 m h z 时，接收u d p 包的带宽达到6 0 m b p s 。该系统共占用的逻辑单元为4 5 5 8 个， 占总资源的4 3 。整体测试结果显示大屏图像流畅，无花屏现象，同时缩短了开发周期，降低了开 发风险，具有一定的市场竞争力。 关键词：s o p c ；i p 协议；f p g a ；处理器设计 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sl e dt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yq u i c k l ya n dl e dc o l o rd i s p l a yh a sb e e n a p p l i e dw i d l y t h ed i s p l a yt e c h n o l o g yo fl e di n c l u d e sm i c r oc o n t r o l l e r , v i d e o ，o p t i c sm e c h a n i c sa n dd i g i t a l i m a g em a n i p u l a t i o ne t c i no r d e rt oi m p r o v et h ed e f e c t sa n ds o l v ed i f f i c u l t yo fl e dd i s p l a y , t h ea u t h o rp u t s f o r w a r dan e ws c h e m eo fl e dd i s p l a ys y s t e m t h et o p i c st a r g e t e da tv i d e ol e ds c r e e nd e v e l o p m e n tn e e d s ，b a s e do nt h es i n g l e c h i pt ot h eb i gs c r e e n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m t h ep r o g r a m m ef u l lu s eo f a l t e r a sn i o s i is o f tc o r ep r o c e s s o rs o p ct e c h n o l o g y , 嬲 w e l la sb u i l d i n gan e t w o r kc o n t r o l l e rh a r d w a r ep l a t f o r m s t h ec a r dc h i pl a n 91c11 1d r i v e rw a sd e s i g n e d w i t hcl a n g u a g e ，a n dt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev h d la n dv e r i l o gh d lw a su s e dt oa c h i e v ea c u s t o mi pc o r ed e s i g n s o p cc o o r d i n a t i o ni nt h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h ea d d i t i o no f c u s t o mi pc o r ea n do p t i m i z a t i o nd r i v e rp r o c e d u r e s ，a n dr e a l i z a t i o no ft h et o er d m af u n c t i o n s ，a n d e x t e r n a ls r a m ，a sw e l l 勰a l a r g e - c a p a c i t yf i f oa n dr e l a t e dp e r i p h e r a l ss e q u e n t i a ll o g i c a c c o r d i n gt o p i cn e e d s ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t oan u m b e ro ff u n c t i o n a lm o d u l e s ，b a s e do nt h e c o n s t r u c t i o no fs i n g l e - c h i pl e dv i d e on e t w o r kc o n t r o l l e rs y s t e m s ，a n di t sk e yt e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e d t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s ，a n dm a n yw e r ef r o mt h ed e s i g no ft h ep r o j e c tc a r d e do u ta d e t a i l e de x p o s i t i o n t h ef i r s tc h a p t e ro nt h eb a c k g r o u n do ft h et o p i c ，l e db i gs c r e e n sc u r r e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ea n a l y s i s ，t h et a s ko fap r o p o s e dt o p i c t h es e c o n dc h a p t e rf r o mt h eo v e r a l l s 廿u c t u r eo ft h es y s t e m ，t h es e to fp r i n c i p l e s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n dd e v e l o p m e n t t o o l s i n t r o d u c e di nc h a p t e rt h r e et o ea n dt h er e a l i z a t i o no fr d m a f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gt h eu s eo fd m a ， i pp r o t o c o lr e c e i v i n ge n dp r o c e s s o rd e s i g ns t e p sa n do u t p u tc o n t r o lm o d u l ed e s i g ns t e p s ，u s i n ge x t e m a l s r a mf p g aa n db u i l dal a r g e - c a p a c i t yf i f o ，v i d e od a t as t r e a mb u f f e r t h ef o u r t hc h a p t e ro nt h ep a r to f t h es o f t w a r es y s t e m ，t h ed r i v e rf o c u s e do nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a ld m a t h ef i f t hc h a p t e r t a l k e da b o u tt h eo v e r a l ls y s t e mc o n t r o l l e rf r o mt w oa s p e c t so ft h ep r o j e c td e s i g nw a st e s t e d t h ef m a l c h a p t e ro nt h ed e s i g no ft h es y s t e md o n es u m m a r yo ft h ef o l l o w u pp r o j e c t sa n dd e s i g nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c t sb a s e do nt h es i n g l e - c h i pl e dl a r g e s c r e e nn e t w o r kc o n t r o l l e rd e s i g np r o c e s sc a r d e do u tad e t a i l e dd e s c r i p t i o na n da n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a l m o d u l e sa n dt h ea c h i e v e m e n to ft h es i m u l a t i o nt e s t s t r a t i xe p1s10 f 7 8 0 c 6s y s t e mi na c h i e v i n gp l a c e m e n t a n dr o u t i n g ，w h e nn i o s l lw o r ki nt h e5 0m h z ，t h er e c e i v e ru d pp a c k e tb a n d w i d t ho f6 0m b p s t h es y s t e m o ft h el o g i co fo c c u p a t i o nt o4 , 5 5 8u n i t s ，a c c o u n t i n gf o r4 3p e rc e n to ft o t a lr e s o u r c e s t h eo v e r a l lt e s t r e s u l t ss h o wl a r g es c r e e ni m a g e ss m o o t h , f l i c k e r - f r e es c r e e n ，h u a p i n gp h e n o m e n o n ，w h i l es i m p l i f y i n gt h e i n s t a l l a t i o n ，t h u ss h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，t h ed e v e l o p m e n to fl o w r i s k ，w h i c hh a v eac e r t a i n c o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t p l a c e k e y w o r d s ：s o p c ；i pp r o t o c o l ；f p g a ；p r o c e s s o rd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究5 - 作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 日 期：w 孑3 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：庄阜 导师签名：匈蚴，日 ， 一 ， ) ，子3 、移 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来随着l e d ( 发光二极管) 技术的提高和发展，大屏幕视频l e d 已广泛应用于体育场馆、 机场、车站等场所，用以显示文字、图形、动态视频影像等多媒体信息。著名的纽约时代广场上的 l e d 屏长4 1 m ，宽8 m ，由2 0 0 万l e d 象素组成，产生轰动的广告效应。特别是国家提出“绿色照 明工程”之后，新型l e d 发光产品以节能。寿命长、应用广泛、控制灵活。色彩绚丽、绿色环保等 特点在照明和装饰领域逐渐受到世人的注目i lj 。 l e d 显示屏的通讯传输控制有通讯传输和视频传输两种1 2 j 。通讯传输采用标准的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 计算机数据串行通讯方式，通过串口按一定的通讯协议来接受来自计算机串口或其他设备串口的信 号，经过处理后按一定的规律传送到显示屏上。这种控制方式的显示屏功能比较单一，适用于文字、 图形显示，l e d 景观灯颜色变化形式呆板，无法达到柔和渐变过程，变化颜色少，一般只有7 种， 并且当显示的信息量比较大的时候，需要比较高的数据传输速率，而串行传输的速率是有一定的限 制的，最大为1 m b i t s ，当距离增大的时候速率会降得更低p j 。视频传输的方式则是把l e d 显示屏与 多媒体技术结合起来，采用成对的专用长线传输接口电路，实现了在l e d 显示屏上实时视频的内容， 但是对传输线的要求很高，而且接口电路设计比较复杂【4 j 。 1 2 国内外发展现状 1 2 1l e d 像素芯片发展现状 ( 1 ) 用具有占空比输出的集成电路实现调灰 用具有占空比输出的集成电路来实现调灰。它是通过接收由逻辑电路送至的相应r 、g 、b 数 字值，并根据地址信号输出几路某一电流下相应的占空比信号并驱动输出l e d 显示。如以6 4 级调为 例( 指r 、g 、b 各6 4 色) ，r 、g 、b 对应的数字值为0 0 0 0 0 0 b , 1 1 1 1 1 1 b ( 0 0 d 一 6 3 d ) ，送出的占 空比信号为0 、l 6 4 、6 3 6 4 ，则相应的相对亮度为0 、1 6 4 、6 3 6 4 ，由此每一帧的图像 根据存放在此芯片中的数值就能实现相应的l e d 图像显示【5 l 。具有此类功能的集成电路早期有元件 五厂的5 g 5 0 6 、微电子研究所的s h k 9 4 、德州公司的t l c 5 9 0 2 f j d 等。 ( 2 ) 组合逻辑调灰方法 用专项功能的集成电路实现调灰，其结构复杂、造价高，因此我们在视频播放l e d 显示屏的设计 时采用了组合逻辑的控制方法。其在l e d 显示驱动上采用常规的廉价的驱动芯片，而对一个区域采 用一个组合逻辑电路。以2 5 6 级调灰为例，针对每帧每个点的发光二极管存放的分别为r 、g 、b0 至 2 5 5 的亮度值，因此在控制时，我们对每帧读取2 5 6 次，通过2 5 6 次计次值和读取的亮度值比较，在小于 或等于时则输出有效的点亮信号，大于时则关断点亮信号，如亮度值为9 7 ，则需点亮1 5 9 次，关断1 5 9 次， 占空比9 7 2 5 6 ，同时借助于发光二极管的余辉功能，就能达到某一帧时某颜色的9 7 2 5 6 的灰度。由此 经过2 5 6 次读取就形成了一幅完整的l e d 视频图像。同时，为了保证l e d 视频显示与计算机c r t 显 示的完全同步，且l e d 显示的图像连贯、不闪烁，对此在控制上还有一个速度要求。现以v g a 6 4 0 江南大学硕士学位论文 4 8 0 方式为例，帧频6 0 h z ，组合逻辑控制6 4 3 2 点l e d 显示计算组合逻辑的控制频率f o f = 6 0 帧sx 2 5 6 幅帧x 6 4 点3 2 点幅= 3 1 4 5 7 2 8 m h z 同时考虑到行和帧的回扫以及动态存 储器的切换，f 应不小于3 3 1 7 7 6 m h z t 6 1 。 从上面两种控制方式可以看出，视频数据传数量巨大，这对视频数据传输提出了更高的要求。 传统的传输控制方式已不能满足日益增长的对传输速度的要求。 1 2 2s o p c 发展现状 在二十世纪九十年代末，可编程逻辑器件( p l d ) 的复杂度已经能够在单个可编程器件内实现整 个系统，完整的单芯片系统( s o c ) 概念是指在一个芯片中实现用户定义的系统。在一个s o c 设计中， 将涵盖到包括微处理器、d s p 芯片、存储器件、i o 、控制逻辑、混合信号模块( m i x e d - s i g n a lb l o c k s ) 等在内的许多部分1 7 1 。 在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把f p g a 及微处理器的核心 内嵌在同一芯片上，构建成为一个可编程的s o c 系统体系框架结构，建成所谓的可编程芯片系统 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 ) ，从而为系统设计者提供了又一灵活快捷的设计方法与途径。 s o p c 是一种新的系统设计技术，也是种新的软硬件综合设计技术。通过它，可以很快地将硬 件系统( 包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等) 和软件设计都放在一个可编程的芯片 中，以达到系统的i c 设计。这种设计方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点。设计完成的s o p c 可以通过h a r d c o p y 转为a s i c 芯片，从而可以实现快速量产f 8 】o 在2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 软核r i s c 处理器，这是a l t e r ae x c a l i b u r 嵌入处理器计划中 第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。a l t e r a 把可编程逻辑的固有的 优势集成到嵌入处理器的开发流程中，一旦定义了处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可以 马上开始设计软件原型。c p u 周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进 行测试，解决遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率和或处理器 性能，这些软件硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。 国内的钟秋波提出了基于n i o s 软核的l e d 景观灯控制系统的设计【9 】，他提出了一种以p w m 调波 的方式控制l e d 颜色变化，但是他只实现了l e d 的静态和渐变，不能实现l e d 的视频播放；张叔猛 提出了一种嵌入式系统和f p g a 在l e d 显示屏中的应用研究与实现【1 0 】，他把u c o s i i 移植到a r m 芯片 中，并且使用了l w i p 网关协议，但是网络带宽不高，仅仅能能满足l e d 屏的灰度显示。 1 2 3t o b 技术发展现状 t c p i p 协议历来是处理网络上数据传输的通用语言，随着远程直接内存访问( r d m a ) 等最新 网络存储标准的问世和实用化，从某种意义上说，t c p i p 协议已成为存储和群集领域的首选协议。 众所周知，网络规模越大，主机c p u 就越繁忙，应用程序直接读取内存和磁盘数据就越频繁。但 c p u 在同一时刻只能处理一个作业，新作业引发持续性中断会导致内存和总线通信量激增，从而使 得c p u 随时都处于临界作业状态。传统的t c p i p 技术在处理网络数据传输的过程中，要占用大量 的服务资源。为了减轻服务器的压力，一种称为t c p 负荷减轻引擎( t o e ) 的技术营运而生。它能 缓解服务器的处理负荷。t o e 技术对t c p i p 协议栈进行了软件扩展，使部分t c p i p 功能调用从c p u 转移到了网卡集成的t o e 硬件。 2 第一章绪论 t o e 的方案可以采用两种结构：种是分离元件结构，另一种是采用专业的a s i c 结构。分离 元件t o e 采用电路板构建，结构上已接近于计算机，具备网络处理器、固件、存储器、数据传输总 线、实时操作系统以及p h y m a c 接口。采用专业的a s i c 芯片的实现方案是将协议的处理功能集 成到定制化的芯片中，由于具备专用的处理器和存储芯片，性能上有很大提高，但是可编程能力、 扩展性和灵活性比较差。为了进一步提高处理的灵活性又保证处理速度，利用可编程的门阵列 ( f p g a ) 固件实现，软件可动态更新具有很大的灵活性。 随着网络速度的不断提高，各种各样传统的传输方式被t c p i p 替代【1 1 1 ，如n e t w o r k s t o r a g e ，v i d e oo v e ri p 等等。但是要实现t c p i p 的高带宽，对c p u 提出了很高的要求，近年来， 人们开始使用t o e ，( t c p i po f f l o a de n g i n ) ，r d m a ( r e m o t ed m a ) 技术来解决这个问题【l2 。，但是它们 大多数是针对高速网络开发的。对与嵌入式低速m c u 上，其实也需要使用t o e 和r d m a 。韩国 w i e n e r ( 刑w i z n e t c o 1 【r ) 和台湾亚信电子( 唧a s i x t o m t w ) 分别推出了t o e 产品w 3 1 5 0 a ( h a r d w a r e t c p i p ) 1 1 3 】和a x l l 0 1 5 ( t c p i ps o c ) 【1 4 】。但是，在低速m c u 上，仅有t o e 是不够的，将t c p i p 包拷 贝到i o 端口，仍然不可能达到带宽的要求。因此，还需要使用r d m a 技术。 国内的储娜敏提出了基于s o p c 的嵌入式t c p i p 网络的关键技术研究，在单芯片上实现基于s o p c 系统的网络传输，但是网络带宽不高；张帆提出了基于f p g a 的i p 协议处理器，硬件实现了i p 协议， 网络带宽达到3 2 0 b i b p s ，具有较高的实用价值【l 5 1 。 本课题是一个横向课题，与常州市银港数码有限公司进行了l e d 网络控制器项目的合作开发， 并取得了初步的成功，获得了很多宝贵的实践经验。综合国内外各种研究，本文提出了在一块芯片 中实现t o e 和r d m a 的功能，采用s o p c 系统来实现视频l e d 网络控制器。课题的主要任务如下： ( 1 ) 根据最新的l e d 像素控制技术，设计出一种切实可行的视频l e d 显示控制系统的实现方 案。 ( 2 ) 在s o p c 系统中实现t o e 和r d m a 功能，分析各功能模块的构成，做好软硬件协同规划 设计，设计优化网卡驱动程序，硬件实现i p u d p 协议和其他逻辑功能控制。 ( 3 ) 充分利用a l t e r a 公司免费提供的p 核。利用控制功能强大的n i o s i i 处理器作为c p u ，开 发网卡l a n 9 1 c i l l 的驱动程序，生成控制协议，实现系统的集成；灵活利用d i v i a 模块，完成内存 到内存、内存到外设、外设到内存的数据传输，加快数据的传输速度，实现高带宽。 ( 4 ) 定制自定义i p 模块，实现用户自定义的逻辑功能。自定义网络协议i p u d p 模块，实现i p 协议的硬件处理，详细划分i p 接收端处理器的功能模块，并实现各个功能模块的仿真测试和综合调 试，自定义输出控制模块，利用该模块和外部s r a n i 构成大容量的f i f o ，实现l e d 的数据输出控 制功能。 ( 5 ) 开发不带操作系统的网卡芯片l a n 9 1 c 1 1 1 的驱动程序，控制器处理的数据对象是以太网 帧，通过软件驱动获取完整的以太网帧，将网卡芯片中数据快速复制到s o p c 系统中去，还需要基 于h a l 的d m a 软件设计，本文要实现d m a 的处理函数的中断嵌套，和多d m a 块的协调工作。 ( 6 ) 完成系统的测试工作，确保系统功能正确运行稳定。 本项目的研究和开发对视频l e d 网络控制器的性能的提高和优化具有很好的借鉴意义。首先 3 江南大学硕士学位论文 s o p c 系统具有良好的可剪裁性，能够增加一些新的逻辑功能，其次自定义模块用标准的硬件描述 语言v h d l 设计，便于模块的调用，控制器的性能稳定，可以同时从软件和硬件上优化性能，便于 换代升级，这也是s o p c 系统优越性所在。 4 第二章控制器系统总体方案设计 2 1 系统原理 第二章控制器系统总体方案设计 应用现有的成熟技术来实现l e d 数据的高速传输，利用以太网传输数据无疑是最好的一个选择 n 们。首先，随着网络技术的进步，网络传输不断朝着高速、安全、便捷的方向发展，把视频l e d 的 数据通过网络从主机传送到l e d 屏幕上，只需要一个带有以太网接入功能的控制器，安装方便，易 于实现，大大简化了传统l e d 控制器的繁琐的布局布线；其次t o e ( t c p i po f f l o a de n g i n ) mj 技术 的发展使得在m c u ( m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ) 上实现高速的网络传输成为现实 1 8 ol i g h ts t u d i o 软件可以直接把视频图像转换成像素控制芯片s d 6 0 0 所需要的r g b 格式的数据，控制器无需再进 行视频的编码和解码，可以将数据通过控制器高速传送至像素控制芯片s d 6 0 0 l l 引。因此要求控制器 能够处理高带宽的网络数据，采用基于单芯片的l e d 的网络控制器正符合了上述高带宽的要求。系 统原理图如图2 - 1 所示。上位机中利用l i g h ts t u d i o 软件实现视频数据的r g b 转换，根据网络控制 器的母地址，把数据包装成网络数据帧，然后通过以太网把数据传输到各个以太网控制器，以太网 控制器根据i p 地址接收自己的数据包，最后把数据输出至l e d 像素驱动芯片s d 6 0 0 的阵列，即l e d 大屏。 2 2 项目需求 图2 - 1 系统原理 f i g 2 - 1s y s t e mp r i n c i p l e 一个项目的开展必须有明确的项目需求，对于基于单芯片的视频l e d 网络控制器而言，其项目 需求就是所研发出来的控制器具体有哪些功能和特性，这些功能和特性不仅决定着最后产品的形态， 对于项目开发初期的芯片选型，硬件设计，软件设计，项目规划以及整个开发过程都具有重要的知 道意义。本课题的项目需求如下： 1 网络u d p 的接收带宽 = 1 2 m b p s ； 2 系统的输出8 根s p i 总线，上升沿输出数据； 3 大容量f i f o ，至少3 2 k b ，专用f i f o 价格昂贵，利用f p g a 和外部s r a m 构成，降低成本； 4 视频l e d 数据的分时读写，在缓冲数据的同时要能接收来自以太网的下一屏的数据； 5 江南大学硕士学位论文 5 缓冲模块大小可调，根据屏幕大小，有的屏幕要求缓冲到1 6 k b 开始输出数据，有的屏幕要 求6 缓存6 4 k b 输出数据，要能自动调整缓存数据的数量； 6 预留一定的逻辑资源作为后续开发准备。 这些项目需求条目，有的决定着硬件的设计，如大容量f i f o 的设计，必须要用自定义的i p 核 和外部s r a m 构成大容量的f i f o 等；有些影响着软件设计和规划，如要求u d p 接收带宽大于 1 2 m b p s 。 2 2 1 处理器选型 2 0 0 4 年6 月，a l t e r a 公司在继全球范围内推出c y c l o n ei i 和s t r a t i xi i 器件系列后又推出了新 款f p g a 系列的n i o si i 嵌入式处理器。n i o si i 嵌入式处理器和c y c l o n ei if p g a 组合，使得n i o s 嵌入 式处理器在c y c l o n ei i 中具有超过i o o d m i p 的性能，允许设计者在很短的时间内构建一个完整的可编 程系统，风险和成本比中小规模的a s i c 小。 n i o si i 系列嵌入式处理器使用3 2 位的指令集结构，完全与二进制代码兼容，它是建立在第一代 1 6 位n i o s 处理器的基础之上的，定位于广泛的嵌入式应用。n i o si i 处理器系列包括了三种内核- - r a m 快速的( n i o s i i f ) 、经济的( n i o si i e ) 和标准的( n i o s l i s ) 内核，每种都针对不同的性能范 围和成本。使用a l t e r a 的q u a r t u si i 软件、s o p cb u i l d e r 工具以及n i o si i 集成开发环境( i d e ) ， 用户可以轻松地将n i o si i 处理器嵌入到系统中。 a l t e r a 推出的n i o si i 系列嵌入式处理器扩展了目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能， 把n i o si i 嵌入到a l t e r a 的所有f p g a 中，例如s t r a t i x i i 、s t r a t i x 、y c l o n e i i ，c y c l o n e 、a p e x ，a c e x 和h a r d c o p y 系列器件中，用户可以获得超过2 0 0d m i p s 的性能，用户可以从三种处理器以及超过 6 0 个的i p 核中选择所需要的，n i o si i 系统为用户提供了最基本的多功能性，设计师可以以此来创 建一个最适合他们需求的嵌入式系统。表2 - i 为三种内核的比较： 表2 - i 三种n i o s i i 的比较 t a b 2 - ic o m p a r a si o no ft h r e et y p e so fn i o s ii n i o s i i fn i o s i i sn i o s i i | e 快速型标准型经济型 流水线 6 级 5 级无 硬件乘法器 3 个1 个 无 分支预测动态静态无 指令缓存 自动配置自动配置无 数据缓存自动配置 无无 逻辑单元 1 4 0 0 1 8 0 01 2 0 0 1 4 0 06 0 0 。7 0 0 定制指令最多2 5 6 2 2 2 系统的功能规划 在s o p c 系统中，当选用n i o si i s 作为c p u ，系统运行于s t r a t i xe p l s l 0 f 7 8 0 c 6 平台上，主频 为5 0 m h z ，网卡m a c p h y 芯片为l a n g l c l l l ，操作系统为u c o s i i ，网络协议选择l w i p 时，系统 接收d u p 的最大带宽为3 4 4 m b p s 。因此单纯的不具备t o e 的s o p c 系统所能达到的带宽不能满足 项目需求。 为此采用t o e 技术，提高网络带宽。视频的数据量比较大，系统对传输速度要求很高，为了提 6 第二章控制器系统总体方案设计 高数据的传输速度，需要在三方面进行改进提高：一是减少数据在系统中的存储次数，二是加快数 据复制时间，三是本来用软件实现的部分网络协议用硬件来实现晗们。t o e 功能实现就是基于以上三 种方式。本文提出一种t o e 卸载方式，用网卡芯片l a n 9 1 c 1 1 1 ，d m a ，自定义i p u d p 模块和n i o s l i 构成t o e 模块，系统具有一定的r d m a 功能，即在u d p 包中增加了一个字节的控制字t a g ， t a g = 0 x 0 0 表示一帧数据的开始；t a g = 0 x 5 5 表示一帧数据的中间；t a g = 0 x a a 表示一帧数据的结 束。同时为了和外部s r a m 构成大容量f i f o ，需要自定义一个输出控制模块，可以实现缓冲模块 大小的调节，输出s p i 数据逻辑功能等。 顶层功能规划图如图2 - 2 所示，p h y m a c 是以太网底层控制芯片，在系统中实现网络的物理 层功能，和控制器m a c 地址相符的以太网帧被接收，把p h y m a c 层的完整以太网帧复制到s o p c 的内存中，需要大量数据的快速转移，因此需要在p h y m a c 和内存中添加一个d m a l ；c p u 要把 完整的i p 包分离出来，不涉及大量的数据转移，不需要添加d m a ；把完整的i p 包送入t o e r d m a 模块时，需要大量数据的复制，因此需要在内存和t o e r d m a 模块之间添加一个d m a 2 ；系统仅 仅具有t o e r d m a 的功能还不够，为了保持l e d 屏的平滑稳定需要缓冲l e d 一屏数据，由于缓冲 数据比较大，而大容量的f i f o 价格昂贵，采用自定义模块和外部s r a m 构成大容量f i f o ，图2 2 中o u tc o n t r o l 模块和s r a m 模块实现此功能。 图2 - 2 顶层功能规划 f i g 2 - 2t o p l e v e lf u n c t i o n a lp l a n s 2 3 系统的软、硬件组成 2 3 1 系统的硬件构成 l e d 网络控制器的结构图如图2 - 3 所示。网卡m a c p h y 芯片为l a n 9 1 c 1 1 1 ，它能够实现 1 0 m 1 0 0 m 双向的网络传输，实现网络的底层数据传输。l e d 网络控制器的s o p c 系统中主要有以 下几个模块构成d m a l 、d m a 2 、片上r a m l 、片上r a m 2 、i p u d p 模块、输出控制模块、n i s o i i 等。首先，上位机数据通过以太网传送至网卡芯片l a n 9 1 c 1 1 l ，l a n 9 1 c 1 1 1 以中断的方式通知 n i o s i i ，n i o s i i 响应中断，通过d m a l 通道将网卡中的一帧数据接收到片上r a m 2 。一帧以太网数 据在片上r a m 2 的存储方式和l a n 9 1 c 1 1 1 内部存储方式相同，即2 个字节的的状态字，2 个字节的 数据长度，后面是数据，最后是奇偶字节和控制字节；接着，n i s o i i 对数据进行初步的处理，判断 7 江南大学硕士学位论文 一帧数据的状态字，读取一帧数据的长度，跳过1 2 字节的m a c 地址，判断2 字节的帧类型，如果 是i p 数据就通过d m a 2 通道将片上r a m 2 中完整的i p 数据传送到i p u d p 模块；然后，在i p u d p 模块中进行m 数据解包，同时判断u d p 数据的t a g 位；最后，i p u d p 模块以l o c a lb u s 方式 把处理完毕的数据传送至输出控制模块，经外部s r a m 的缓冲后，最后将数据均匀输出至l e d 大 屏。 图2 - 3l e d 网络控制器的功能结构图 f i g 2 - 3t h er u n e ti o nb l o c kd i a g r a mo fl e dn e t w o r kc e n t r e ll e r 系统中有两次i p 数据的复制，一次是从l a n 9 1 c 1 1 1 到片上r a m 2 ，一次是从片上r a m 2 到 i p u d p 模块。两次的数据复制都采用了d m a 传输，在系统中添加了两个d m a 模块，即d m a l 和d m a 2 ， d m a l 实现数据从网卡到片上r a m 2 的加速，d m a 2 实现数据从片上r a m 2 到i p u d p 模块的加速。 本系统用硬件实现了i p 协议接收端的部分功能，开发了自定义i p 核i p u d p 模块。通过上述三种措 施，网络的带宽得到保障。s o p c 系统的模块功能如表2 - 2 所示。 表2 - 2 系统组件 t a b 2 - 2s y st o mm o d u l e 8 第二章控制器系统总体方案设计 分类 名称功能 c p un i o s l i处理器 存储器片上r a m i ( 2 0 k b )系统的程序存储器 片上r a m 2 ( 4 k b )网络数据的缓存 f l a s h ( 8 m b )程序存储器上电加载到s r a m 中 外部s r a m ( 5 1 2 k b )l e d 大屏数据的缓存 e p c s 4 ( 4 n f b )静态存储f p g a 的配置文件，上电加载到 f p g a 中 接口p i o 接口系统复位 d m a l 完成从网卡到片上r a m 2 的数据传输 d “2完成从片上r a m 2 到i p u d p 模块的数据 传输 自定义模块网络i p u d p 协议i p 核实现i p u d p 数据的硬件解包 输出控制i p 核和外部s r a m 构成大容量f i f o a l t e r a 公司的n i o s i i 嵌入式c p u 和a v a l o n 片上总线是构成一个s o p c 系统的主要内容。a l t e r a 提供的q u a r t u s l i 开发环境，集成了s o p cb u i l d e r 。对于s o p cb u i l d e r 没有的功能模块，s o p cb u i l d e r 提供了一个开放的接口。可以选择i n t e r f a c e t o u s e r l o g i c ，给这个接口分配系统资源，然后在接口上 加入用户自定义的i p 核。开发网络i p u d p 协议i p 核和输出控制i p 核，关键是要符合a v a l o n 总线 规范规定的接口以及时序逻辑要求，以使s o p cb u i l d e r 能够自动完成总线仲裁、总线宽度转换、地 址译码等逻辑。这样能够大大缩短开发i p 核接口的时间。只要接口符合a v a l o n 总线规范的接口都 可以直接集成到n i o s i i 系统中去。图2 - 4 就是本设计构建的s o p c 系统。 构建的系统主要包含以下几部分： n i o s i i 软核c p u ：c p u ； j t a g 调试口：j t a g _ u a r t ； 外部三态桥：e x tr a m ) u s ； 外部f l a s h 存储器：e x tf l a s h ； 以太网接口：l a r t g l c l l l ； 按钮接口： b u t t o n 模块握手信_号pio：；udpip d a md o n e ，b u s y ； 接