（计算机软件与理论专业论文）安全结构网络终端硬件结构的设计和实现.pdf

摘要 针对网络终端信息安全问题，为了提高嵌入式计算机系统整体的安全性，8 6 3 课题“安全结构智能网络终端技术”提出并研制完成了一种具有自主知识产权的面 向嵌入式应用的新型计算机体系结构s c p u d b u s 。该体系结构用本地总线和网络总 线两条总线取代了传统计算机体系结构巾原有的一条总线。安全网络终端( s a n c ) 作为基于s o c 技术的嵌入式系统研制完成。为了提高嵌入式系统开发速度，课题提 出并构建了嵌入式系统层次模型，根据嵌入式系统功能问的相互关系，将嵌入式系 统划分为物理层、硬件抽象层、核心层、系统服务层以及应用层5 个抽象层次，并 建立了一套层次封装规范和操作接口规范。 本文设计和实现了安全结构网络终端的硬件系统。主要工作为基于嵌入式系统 层次模型，完成了网络终端物理层和硬件抽象层的设计和实现。根据课题要求，完 成了硬件系统的总体设计，确定了各部分的结构。在此基础上，采用s o p c 技术， 在a l t e r af p g a 上设计和构建了具有单c p u 双总线体系结构的网络终端s o p c 系 统，给出了各外设控制器在s o p c 系统中的具体实现，设计了各外设控制器的驱动 程序。最后给出了网络终端的主板设计，完成了主板电路图设计，布局布线、制板、 焊接和调试工作，开发了网络终端样机。 关键词：s c p u 。d b u s ；嵌入式系统层次模型；s o p ci s a n c a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h es e c u r i t yo fn e t w o r kc o m p u t e r , an e ws e c u r ea r c h i t e c t u r e w h i c hc a l l e ds c p u d b u si s p r o p o s e di n ”s e c u r i t ya r c h i t e c t u r e n e t w o r kc l i e n t t e c h n o l o g y ”t h i sa r c h i t e c t u r ec o n t a i n st w os y s t e mb u s e si n s t e a do ft h et r a d i t i o n a l a r c h i t e c t u r e s y s t e mb u s ：t h el o c a lb u sa n dt h en e t w o r kb u s h i e r a r c h i c a lm o d e lo f e m b e d d e ds y s t e mb a s e do np l a t f o r m l e v e ld e s i g nc o n c e p t s ，e m b e d d e ds y s t e mc a nb e d i v i d e di n t o f i v el a y e r s ：p h y s i c a ll a y e r , h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ，c o r el a y e r , s y s t e m l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r , a n dac o m p l e t es e to fp a c k a g ea n di n t e r f a c es p e c i f i c a t i o na l s o i sg i v e ni nt h i sm o d e l t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h es e c u r i t ya r c h i t e c t u r en e t w o r kt e r m i n a li sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i nt a s ki st h ec o m p l e t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e ra n d h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r s d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n a c c o r d i n gt o t h es u b j e c t r e q u i r e m e n t s ，i d e n t i f i e dt h ev a r i o u sp a r t so ft h eh a r d w a r es y s t e m o nt h i sb a s i s ，d e s i g n a n db u i l das o p cs y s t e mw i t hs i n g l ec p ua n dd u a l - b u sa r c h i t e c t u r ei nt h ea l t e r af p g a b ys o p ct e c h n o l o g y , i m p l e m e n tt h ep e r i p h e r a lc o n t r o l l e r s i nt h es o p cs y s t e ma n d d e s i g nt h ep e r i p h e r a lc o n t r o l l e r s d r i v e rp r o g r a m t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fs a n c s m o t h e r b o a r di sa l s og i v e na tt h ee n do fp a p e r k e yw o r d s ：s c p u d b u s ；s o p c ；h i e r a r c h i c a lm o d e lo fe m b e d d e ds y s t e m ；s a n c 字位论又襁刨怔户明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 做作者签警散河日期为。7 年册。日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密d 做储撒：曩测，嗍枷严肌日 t 三篙三瓣雾坠经三莩：毫三三三：三冬人不得擅自使用， 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 本课题来源于国家8 6 3 计划“安全结构智能网络终端技术”。针对目前网络终 端用户网络应用水平较低、网络安全防范能力较差、系统维护困难等问题，“安全 结构智能网络终端技术”研制了基于嵌入式层次模型的具有安全体系结构并且支持 网络远程维护的网络终端。一方面，增强网络终端的存储和计算能力，提出一种混 合模式设计机制，拓展终端用户的网络应用能力，缓解对服务器和网络环境的压力， 并通过提出一种防止网络入侵、保障信息安全的安全网络终端体系结构来解决安全 性问题；另一方面，网络终端选用s o c 技术实现，有效降低系统成本；最后，提供 远程维护机制，使得系统可通过网络进行远程维护，从很大程度上解决了系统维护 难题。 本文作为“安全结构智能网络终端技术”的子课题，主要任务是完成具有安全 体系结构的网络终端硬件系统的设计和实现。设计的主要要求为最大限度的简化主 板电路设计，以提高系统整体的可靠性，精度和稳定性，并在一定程度上兼顾硬件 成本。综合考虑，本设计选用目前嵌入式系统中正逐步得到普遍应用的s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术，基于s o p c 构建片上系统并开发网络终端 主板。 1 2 国内外研究概况 回顾计算机发展史，计算机技术发展与i c ( 集成电路) 技术发展紧密相关。半 个多世纪以来，计算机发展主要经历了真空管( 1 代) 、晶体管( 2 代) 、集成电路 ( 3 代) 、微处理器( 4 代) 等时代。目前i c 设计产业中出现了系统设计和疋 ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核设计的分工，形成了以s o c ( s y s t e m0 1 1c h i p ) 技术为主 导的c h i p l e s s 设计方式，从而进入s o c 时代( 5 代) 1 2 1 。 s o c 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。从 狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上； 青岛人学硕士学位论文 从广义角度讲，s o c 是一个微小型系统，集处理器i p 核、各外围设备i p 核、i p 核 互联总线于一体。国内外学术界一般倾向将s o c 定义为将微处理器、模拟i p 核、 数字伊核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单一芯片上。它通常是客户定 制的，或是面向特定用途的标准产品。 s o c 设计技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，随着半导体工艺技术的发展，i c 设计 者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，s o c 正是在集成电路( i c ) 向集成系 统( i s ) 转变的大方向下产生的。1 9 9 4 年m o t o r o l a 发布的f l e xc o r e 系统( 用来制 作基于6 8 0 0 0 和p o w e r p c 的定制微处理器) 和1 9 9 5 年l s il o g i c 公司为s o n y 公司 设计的s o c ，可能是基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核完成s o c 设计的最早报导。 s o c 的技术核心是i p 核的复用，充分的利用已有的设计积累。s o c 具有很多优势， 可减少功耗开销、减少印刷板上部件数和管脚数、减少板卡失效的可能性、有利于 板卡的性能改善( 片内连线缩短) 、降低风冷要求、减少系统开发成本等，具有较 强的市场竞争力。由于上述各种优点，s o c 技术的发展非常迅速，是工业界和学术 界的最热门的领域之一。 系统级芯片技术s o c 设计不仅仅是一个计算机专业领域的概念，而是微电予、 计算机及电子系统设计应用领域等多学科的交叉和融合，目前无论是圉际还是国内 都在s o c 设计领域展开了激烈的竞争。s o c 按实现技术可分为两类：一类是a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc h i p ) s o c ，以微处理器和：卷片设计公司为主导， 追求良好的性价比，适合大批量规模生产；另一类是s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) ，以f p g a 厂商和科研机构为主导，适合多品种少批量产品开 发。 a s i cs o c 按指令集来划分，主要有x 8 6 系列、a r m 系列、m i p s 系列、s p a r c 系列和类指令系列等。基于x 8 6 的s o c 产品有困家半导体公司的s c 2 2 0 0 ，适合做 无线浏览器、瘦客户机和机顶盒等产品，再如a m d 公司的g e o d e 系列产品；基于 a r m 系列的更是数不胜数，如s h a r p 的l h 7 a 4 0 0 ，s a m s u n g 的s 3 c 4 4 a o a ，o k i 的m l 6 7 q 5 3 0 等；基于m i p s 的主要有a m da l c h e m y a u l 0 0 0 、a u l 5 0 0 等系列产 品；基于类指令的产品，如c r u s o et m 5 8 0 0 ，采用超长指令，代码效率很高。国内 s o c 研制开发者主要基于m i p s 系列和类指令系列，如巾国科学院计算机研究所的 2 第一章绪论 “聚芯”s o c ( 基于龙芯c p u 核，兼容m i p s i i i 指令集) 、北京大学的北大“众志” ( 定义少许特殊指令) 、北京方舟科技公司的“方舟2 号”( 自定义指令集) 、国芯 c * c o r c ( 继承m c o r e ) 等，提供了面向不同应用领域的解决方案。 a s i c 电路是永久性的，设计和制造成本高，适用于大规模的批量生产，以均 摊成本。与之相对的是可编程逻辑器件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 ) ，可 以通过对电路的编程实现特定功能。f p g a 产生初期，只有数万逻辑门的规模，一 般被用做电路板上不同元器件的连接逻辑。近十几年随着半导体技术的不断进步， f p g a 的生产工艺、集成度、器件编程等飞速发展，单位成本不断下降，性能不断 提高。而同时，a s i c 芯片的开发成本越来越大，开发周期越来越长，产品面市时 问却越来越紧迫，f p g a 和a s i c 之间的界限逐渐被打破，出现了s o p c 技术。 s o p c 是s o c 技术和可编程逻辑技术结合的产物，是一种特殊的嵌入式系统： 首先它是s o c ，即可以由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它还是可 编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备一定的系统可编 程功能。可编程器件内具有小容量的r a m 资源，可以选择不同的i p 核被来构成不 同的系统( 单处理器、多处理器系统) ，有些可编程器件内还包含部分可编程模拟 电路。s o p c 的出现也是市场和技术共同推动的结果：它具有a s i cs o c 几乎所有 的优点，同时又克服了一些明显的缺点，市场对s o p c 的需求越来越人；随着技术 的发展，百万门以上密度的f p g a 和c p l d 芯片己经面市并发展前景非常好，功能 强大的系统级芯片开发工具也已经推出，可以对百万门电路进行快速的分析和编 译。 s o p c 的解决方案有多种，目前主要有基于f p g a 的嵌入i p 硬核的s o p c 系统 以及基于f p g a 的嵌入i p 软核的s o p c 系统，其中i p 核主要指处理器核。如果将 a r m 等处理器核以硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 的可编程逻辑资源，按照 系统功能需求来添加接口功能模块，这样就将f p g a 软件灵活的硬件设计和硬核处 理器的强大功能有机的结合起来，构成了一个高效的基于i p 硬核的s o p c 系统。 但是该方案还有一些不足：处理器硬核大都来自第三方公司，这样就需支付一定的 支持产权费用，增加了系统成本；由于硬核是预先植入的，处理器的结构如总线规 模、接口方式、指令形式等都是不可更改的，也不能根据需要添加多处理器或裁剪 气 青岛大学硕士学位论文 处理器资源，这样就大大降低了s o p c 系统硬件设计的灵活性；只有某些特定的 f p g a 芯片中包含硬核嵌入式处理器，选择面窄，有可能引起资源浪费。而嵌入m 软核的s o p c 系统能够很好的解决以上不足，最有代表性的软核处理器有a l t e r a 公 司的n i o s l i 及x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 处理器。它们由f p g a 厂商直接提供，用 户无需支付额外的知。 叭1 1 产权费用。厂商针对f p g a 的特殊结构对软核处理器进行了 优化并提供开发工具的支持，使用户能够在其生产的f p g a 芯片中实现该处理器， 并能够随意配置各种参数( 如运算快慢、资源占用、缓存大小、指令定制等) ，而 且在f p g a 资源足够的情况下能植入多个处理器【3 1 。 另外，在进行片二系统设计时，由于要考虑系统的整体架构，除了要选择使用 哪种c p u 外，还要选择总线。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本， 用户可采用多种总线，包括s o c ：f ! ；片内部总线、：卷片间总线( 如s p i 、1 2 c 、并行 总线等) 、板卡间总线( i s a 、p c i 、v m e 等) 、设备间总线( u s b 、1 3 9 4 、r s 2 3 2 等) ，以使片上系统模块间不会而临干扰、匹配等问题。日前s o c 芯片内总线架构 有很多种，如i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、a r m 公司的a m b a 、s i l i c o r e 公司的 w i s h b o n e 、开放核心协议国际联合( o c p i p ) 的o c p ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) 与虚拟 插座接1 2 1 联盟v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c e a l l i a n c e ) 的v c i ( v i r t u a lc o m p o n e n t i n t e r f a c e ) 、a l t e r a 的a v a l o n 总线等【4 】o 1 3 本文的研究任务及获得成果 本文的研究的主要内容包括： 基于s o p c 技术，完成单c p u 双总线网络终端的硬件设计，确定s o p c 系统 的总体结构。 基于嵌入式层次模型，完成网络终端各外没控制器物理层和硬件抽象层的设计 和实现，主要工作为给出外设控制器在s o p c 系统中的具体实现和驱动程序的设计。 完成网络终端主板，包括设计主板电路图，布局布线，制板，焊接并完成调试 工作。 木文的主要创新点为具有单c p u 双总线体系结构的网络终端的硬件结构的设 计和实现，以及基于双总线结构的外设控制器的设计和实现。 4 第一章绪论 1 4 章节安排 第一章：介绍了本文选题的背景和意义，分析了国内外相关的研究概况，给出 了本文的主要研究任务和创新点。 第二章：介绍本文设计本课题组提出的嵌入式层次模型和面向嵌入式应用的单 c p u 双总线的体系结构，基于上述两项内容给出本设计的具体实现方案。 第三章：具体介绍网络终端的硬件系统各部分的构成，并给出其基于嵌入式层 次模型的物理层和硬件抽象层的设计和实现。 第四章：给出网络终端的电路主板设计和实现。 第五章：总结和展望部分，对本文的工作进行总结并提出可进行的下一步工作。 第二章嵌入式层次模型及单c p u 双总线体系结构 第二章嵌入式层次模型及单c p u 双总线体系结构 本章介绍了嵌入式层次模型的基本概念以及本文的课题来源“安全结构智能网 络终端技术”，给出了本文的实现方案。 2 1 嵌入式层次模型 针对嵌入式系统开发的特点，本课题组提出了一种支持嵌入式系统高效开发的 嵌入式系统层次模型。层次模型采用基于层次的平台设计思想进行构建，根据嵌入 式系统功能问的相互关系，将系统功能划分为不同的逻辑层次，每逻辑层通过层 问接口协议调用下层服务完成本层功能，并向上层提供服务，使得嵌入式系统的上 层软件面向一个统一的逻辑层，而不必陷入繁杂的硬件细节。嵌入式系统层模型分 为物理层、硬件抽象层、核心层、系统服务层以及应用层5 个抽象层次，并给出了 一套完整的层次封装规范和操作接口规范同。 1 ) 物理层 南面向特定应用的系列体系结构所包含的物理部什元素组成，为整个嵌入式系 统提供硬件基础。该层实例可通过改变控制物理部件元素结构的相应参数而迅速得 到。 2 ) 硬件抽象层 该层对底层物理功能部件进行逻辑封装，并向上层提供访问这些功能部件的操 作接口：为下层( 物理层) 平台的设计提供设计需求和规范；而该层平台本身实现 了从逻辑功能到物理操作的转换。抽象层的设计，屏蔽了物理层实例结构的差异性， 有利于实现系统的软硬件协同设计，提高产品的开发效率1 6 , 7 】。 3 ) 核心层 该层利用硬件抽象层提供的接口对各种物理器件进行统。的结构化管理，并对 上层软件资源的运行环境及运行时机进行配置和管理，从而为嵌入式操作系统实现 具有实时性和可裁剪性的内核管理机制，使得在硬件基础之上的软件资源能够以最 优化的方式完成相应的功甜引。 4 ) 服务层 6 青岛大学硕士学位论论文 服务层为整个嵌入式系统提供内核扩展服务，并以接口调用的形式为工具层和 应用程序提供系统服务。该层向上层提供丰富的系统调用接口，使得上层实例能够 通过接口请求系统服务完成特定的功能。 5 ) 应用层 应用层是直接面向用户并为用户提供其所需功能的平台层次。该层实例可以是 针对特定应用领域设计的嵌入式软件模块，或者是完成所需功能的i p 核的组合。 通过服务层提供的服务可将经过综合和验证的m 硬核快速集成到基于嵌入式系统 中。 层次模型各层之间通过层间接口协议进行通信，各层通过层间接口调用下层提 供的服务实现本层功能，并为上层提供服务。该模型支持s o p c 技术，基于该模型 的嵌入式系统相关总线、接口均完成i p 封装，并通过应用层的i p 接口支持i p 复用 功能，有效提高了系统的可重用性。 2 2 单c p u 双总线体系结构 近年来，怎样解决南网络入侵引发的网络安全问题已经成为研究热点，目前的 解决方案可以分为软件解决方案和硬件解决方案两类。软件类包括病毒扫描和防火 墙技术，各类入侵检测技术，加密技术等，硬件类包括硬盘隔离卡，安全隔离网闸 等，这些技术在定程度上缓解了安全问题，但是都存在不同程度的局限性： 病毒扫描技术具有滞后性，并且存在一些无法预知的缺陷，不能及时应对计算 机病毒、黑客或恶意软件的攻击，而防火墙技术的有效性高度依赖终端用户的决策。 入侵检测技术目前发展的仍不成熟、智能化程度不高，多 在一些人型系统中得 到应用，适用于普通计算机系统的尚处在研究或实验阶段，因此在当前还无法得到 广泛的应用。 加密技术由于算法复杂，因此对系统的性能和响应速度有较高要求，而且其本 身存在对密钥的高度依赖性，这些都限制了加密技术的应用。 硬盘隔离一k 实际上是在硬盘中提供的是两个完全独立的系统，用户一次开机只 能进入一个工作区域，如果需要切换工作区域必须关机后重启机器，因此效率较低。 第二章嵌入式层次模型及单c p u 双总线体系结构 网闸的安全数据交换过程需要通过专用硬件通信卡、私有通信协议和加密签名 机制等来实现，系统复杂，成本较高。 由于普通计算机系统都是采用传统的冯诺依曼体系结构，网络模块和本地存 储器等都挂接在同一条系统总线上，因此即使采用了上述的某些安全机制，一旦黑 客通过网络模块入侵到计算机系统中，就能进而控制整个系统总线，从而访问到本 地存储上的信息。基于上述原因，为了在提高计算机系统整体的安全性同时兼顾系 统的效率和成本，“安全结构智能网络终端技术”提出了一种新型计算机体系结构： 单c p u 双总线的计算机体系结构s c p u d b u s l 9 】。 该结构由，个c p u 和两条独立的系统总线：本地总线和网络总线组成，存储 设备挂接到本地总线上，网络设备挂接到网络总线上。c p u 通过总线桥接器在同一 时刻只与一条总线相连，由此将系统分为本地子系统和网络子系统。 图2 1 是单c p u 双总线体系结构的系统结构图。本地总线和木地存储设备及挂 接到该总线上的外设构成本地子系统。网络总线和网络设备及挂接到该总线上的外 设构成网络子系统。c p u 通过自主研发的总线桥接器在同一时刻只有一条总线相 连，以保证了两个子系统之间的隔离。这样即使发生网络入侵，黑客也只能获取网 络子系统的临时信息，无法获取本地子系统的存储信息，提高了系统的安全性。另 外为了降低系统成本和提高系统扩展能力，在s c p u d b u s 中将一些不影响信息安 全的简单输入输出外设，如显示器，鼠标键盘等挂接到丰总线上，实现两条总线的 共享使用。共享外设同样通过总线桥接器在同一时刻只与一条系统总线连接，系统 总线的切换由桥接器控制器，进行总线切换后，主总线与两条系统总线中的一条相 连，在此时刻可认为是该系统总线的一部分。 8 青岛大学硕士学位论论文 由由 图2 1 单c p u 双总线的安全体系结构 s c p u d b u s 体系结构主要性能指标包括： a 、区域隔离：根据保障信息安全的需要，将系统分为两个工作区域：非安全 区和安全区。其中非安全区主要实现用户和网络有关的应用，安全区实现用户的本 地存储和其它有安全需要的工作。各外设根据不同的应用分别挂接到两个区域的系 统总线上，即本地总线和网络总线，隔离了来自网络的风险。 b 、共用c p u ：出于降低成本的考虑，非安全区和安全区共用一个c p u ，通过 总线桥接器实现两条总线和c p u 的互连，同时保证同一时刻只有一条总线和c p u 连接。 c 、共享设备：通过将部分外设挂接到主总线上实现了两个区域的共享使用， 降低了系统的复杂度。同时考虑到两工作区域之间的通信问题，主总线上挂接有一 定容量的存储器。 d 、工作区域切换：通过总线桥接器实现工作区域的切换，保证同一时刻只有 一条总线和c p u 相连。 “安全结构智能网络终端技术”的操作系统为自主研发的基于内部网络化管理 的、安全内核非安全内核双内核操作系统n e t o s i 。在系统加电后网络终端将工作 在本地子系统中，如果用户需要访问网络，操作系统控制c p u b u s s 桥接器动态进 行子系统间的切换。在网络终端子系统中，所有数据交换通过主总线上的高速内存 作为c a c h e ，由c p u b u s s 桥接器控制完成。数据交换开始时须由网络终端操作者 授权，交换在本课题组自主研发的私有协议控制下自动完成。 q 第二章嵌入式层次模型及单c p u 双总线体系结构 2 3 本文实现方案 s o p c 和s o c 的不同之处在于s o p c 硬件平台中加入了可重配置逻辑。对于处 理器集成型的s o p c 的硬件平台，硬件设计的重点在于对f p g ai p 核的特殊处理。 本设计采用a l t e r a 公司的q u a r t u s i l + s o p cb u i l d e r 的解决方案，选片j 包含a l t e r a 公 司f p g a 芯片的核心板，在f p g a 芯片中以n i o s l i 软核处理器，a v a l o n 总线为基础 实现单c p u 双总线s o c 结构，并在核心板的基础上设计实现网络终端主板。在n i o s l l i d e 中利用a l t e r a 公司提供系统函数库，编写所需驱动程序，完成系统测试。其中 q u a r t u s l l 是a l t e r a 公司的综合性p l d 开发软件，支持原理图、v h d l 、v e r i l o g h d l 以及a h d l ( a l t e r ah a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 等多种设计输入形式，内嵌综 合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整p l d 设计流程。s o p c b u i l d e r 集成在q u a r t u s l i 中，由q u a r t u s l l 启动，提供直观的向导驱动图彤用户界面 ( g u i ) ，是图形界面的s o p c 系统定制工具。s o p cb u i l d e ri p 核库中包括可定制 的n i o s i i 软核处理器及一套通用外设和接口，用户还可以通过软件中的用户逻辑接 口向导生成自己的定制外设，能够方便快速的构建s o p c 系统。n i o s l ii d e 是a l t e r a 公司提供的基于开放的、可扩展e c l i p s ei d e 工程和e c l i p s ec c + + 开发工具工程， 是n i o s l i 系列嵌入式处理器的主要软件开发工具，其中提供了很多工程模板，能使 用户尽可能的快速推出可运行的系纠1 0 】。 本设计使用q u a r t u s l l + s o p cb u i l d e r 的j ：要开发步骤如下： 1 ) 打开q u a r t u s l l 软件并建立工程。在新建工程过程中需要给出工程名称，工 程日录，指定f p g a 芯片和用于工程的其它e d a 工具。 2 ) 在q u a r t u s l l 中建立项层模块。顶层模块用于将整个工程的各个模块包含在 里面，相当于传统电路设计中的电路板。 3 ) 使用s o p cb u i l d e r 创建n i o s i i 系统。s o p cb u i l d e r 在q u a r t u s l l 中启动，在 该工具中创建以n i o s l l 为处理器的s o p c 系统。首先指定目标f p g a 并设置时钟， 然后添加处理器内核和其它外设并定制或配置它们的功能，分配外设地址及终端 号，设定复位和异常地址，最后生成( g e n e r a t e ) 系统。 l o 青岛大学硕士学位论论文 4 ) 添加n i o s l i 系统到顶层模块。在q u a r t u s l i 中将上一步生成的n i o s l i 系统添 加到顶层模块中。 5 ) 添加引脚和其它单元。在q u a r t u s l i 中依次为n i o s l l 系统的各外设添加输入 输出引脚以及p l l 系统时钟生成单元等。 6 ) 分配f p g a 引脚。使用q u a r t u s l l 提供的a s s i g n m e n te d i t o r 工具对系统中所 使用的f p g a 引脚进行分配，并将为使用的引脚在d e v i c e & p i no p t i o n s 对话框 u n u s e dp i n s 选项卡中设为高阻输入。 7 ) 编译系统。 第三章s a n cs o c 硬件结构 第三章s a n cs o c 硬件结构 本章具体介绍网络终端的硬件系统各部分的构成，并给出其基于嵌入式层次模 型的物理层( s o p c 系统的构建) 和硬件抽象层( 各外设控制器驱动程序) 的设计 和实现。 3 1 总体结构 f p g a 芯片选用a l t e m 公司推出的低成本、高性能的f p g a 系列c y c l o n e l l 系列 芯片中的e p 2 c 3 5 f 6 7 2 。该芯片采用9 0 n m 工艺制造，包含3 3 2 1 6 个逻辑单元( l e s ) ， 4 8 3 8 4 0 b i t s 的片上r a m ，还有多达4 7 5 个用户可用i o 口，封装为6 7 2 p i nf b g a 。 其主要特性如表3 1 所示。 表3 1e p 2 c 3 5 f 6 7 2 主要特性 特性数量 逻辑单元( l e )3 3 2 1 6 m 4 kr a m 块( 4 k b i t + 奇偶校验)l0 5 r a m 总量( b i t )4 8 3 8 4 0 p l l s ( 个)4 时钟输入管脚( 个)8 全局时钟网络( 个) l6 最大用户i 0 数( 个)4 7 5 配置二进制文件( r b f ) 大小( b i t ) 6 8 5 8 6 5 6 - 口j - 选串行丰动配置器件e p c s l 6 n i o s l i 是a l t e r a 的第二代f p g a 软核处理器，由a l t e r a 公司于2 0 0 4 年推出，比 第一代n i o s 具有更高的效率和性能。n i o s l l 处理器系列包括三种内核快速 ( n i o s i i f ) 、标准( n i o s l l s ) 和经济型( n i o s l l e ) ，每一型号都针对价格和性能范 嗣进行了优化。n i o s l l 嵌入式处理器性能超过2 0 0 d m i p s ，它采用3 2 位指令、3 2 位数据和地址、3 2 位通用寄存器和3 2 个外部中断源。n i o s l l 支持6 0 多个外设，开 青岛人学硕士学位论文 发者可以根据需要选择外设，而不需要再为自己不需要的功能支付费用，这大大节 约了嵌入式系统的开发成本，也加快了开发的周期。n i o s l lc p u 是一种5 级流水线、 单指令的r i s c 处理器，其大部分指令可以在一个周期内完成。n i o s l l 处理器又是 一种软核c p u ，专门针对a l t e r a 的可编程逻辑器件及片上可编程的设计思想做 了相应的优化。作为一种可配置的精简的r i s c 处理器，它可以与用户自定义逻辑 结合构成s o p c 系统，并下载到a l t e r a 的可编程器件中。结合外部闪存以及大容量 存储器，可构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处理器系统。 a v a l o n 总线是a l t e r a 公司专门为s o p c 而推出的一套片内总线系统，与n i o s 系列的处理器软核起，二者构成了a l t e r a 公司s o p c 解决方案中的核心部分。 s o p cb u i l d e r 自动生成a v a l o n 总线，并针对系统处理器和外设的专用互联需求进行 优化。传统总线结构中，单个总线仲裁器控制总线主机和从机之间的通信。每个总 线主机发起总线控制请求，由总线仲裁器对某个主机授权接入总线。如果多个主机 试图同时接入总线，总线仲裁器会根据一套固定的总裁规则，分配总线资源给某个 主机。由于每次只有一个主机能够接入总线、使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。 a v a l o n 总线多主机结构提高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用a v a l o n 交换架构， 每个总线主机均有自己的专用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。 每当系统加入模块或者外设接入优先权改变时，s o p cb u i l d e r 会利用最少的f p g a 资源，产生新的最佳a v a l o n 交换架榭1 1 】。 s a n c 的硬件结构图如图3 1 所示，c p u 挂接到主总线上，通过总线桥接器内 部通路与本地总线和网络总线卜的一条相连，主总线、本地总线和网络总线挂接的 外设在下两节中详细说明。 第三章s a n cs o c 硬件结构 3 2 共享设备 图3 1s a n c 硬件结构图 本设计中共土总线外设包括1 2 c 总线控制器，v g a 控制器、p s 2 鼠标控制器、 总线桥接器和f p g a 配置芯片控制器。 1 2 c 总线是一种由p h i l i p s 公司推出的两线式串行总线，用于l c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 器件之间的互连。它通过一根s c l ( 串行时钟线) 及一根s d a ( 串行数据线) 连 接到提供1 2 c 总线应用的芯片上，片j 于传送信息，并根据地址识别每个器件。每个 器件有一个唯一的地址，而且都可以作为一个发送器或接收器使用( 由器件的功能决 定) 。s a n c 提供1 2 c 接口主要用于对v g a 显示芯片的控制。 v g a ( v i d e og r a p h i c sa r r a y ) 作为与监视器接口的标准，被用来显示图像到监视 器上，是由i b m 公司发布的显示器分辨率规范。目前大多数计算机与外部显示设备 之间都是通过模拟v g a 接口连接，s a n c 提供v g a 控制器用于终端显示。 s a n c 作为网络终端需要提供基本的人机交互接口，其中键盘鼠标是必不可少 的。通过p s 2 接口控制器提供对键盘鼠标的支持，- 口j 以实现向p s 2 设备发送数据和 命令，接收p s 2 设备发米的控制和请求，从系统接收、向系统发送数据以及泽码并 执行系统发给控制器的命令。 1 4 青岛大学硕士学位论文 s c p u - d b u s 体系结构需要本地子系统和网络终端子系统分时复用一个c p u ， 所以引入c p u b u s s 桥接器来连接c p u 和本地子系统、网络终端子系统。c p u b u s s 桥接器内部包含两条总线通路，使c p u 分别连接本地子系统和网络终端子系统。 在同一时刻，c p u b u s s 桥接器保证只有一条通路是畅通的，另一条是阻塞的，从 而保证了本地子系统和网络终端子系统分时复用c p u ，并且保证了本地子系统和网 络终端子系统的相互隔离。c p u b u s s 桥接器可由c p u 控制，打开或关闭内部通路， 实现c p u 和子系统连接的实时切换。 c y c l o n e i l 系列f p g a 是基于r a m 查找表的f p g a ，在器件上电时配置数据必 须重新加载。凶此系统中必须包含具有掉电保持特性的器件来保存配置数据，然后 在f p g a 上电时将配置数据加载到f p g a 中去。 3 3 本地总线与网络总线设备 目前的网络终端大致可划为虚拟终端和可独立工作两种模式。虚拟终端模式自 身缺乏计算功能，主要计算工作由服务器端完成，对服务器有较大依赖性，服务器 的负载大。另外软件和数据都存储于服务器，终端缺乏存储功能，需要实时地与服 务器交互，进行资源的索取和存储，这就增加了对带宽及传输速度等网络环境的要 求。可独立工作模式网络终端通过增加本地存储功能，一定程度上缓解了虚拟终端 模式的缺陷，但引发了安全性问题，本地存储上的信息面临网络入侵的风险。根据 实际应用需要，s a n c 网络终端中包含本地存储设备，为防范由此带来的网络风险， 通过引入两条系统总线将整个系统划分为本地区域和网络区域两个工作区域，以保 证两条总线上设备的相互隔离。 系统大部分的t 作是在本地区域完成的，本地总线上的设备包括用于本地区域 内存的掉电易失随机存储没备，可掉电保持的存储没备，用于通信的u a r t 控制器 以及u s b 主机控制器。 当用户需要访问网络时，系统切换到网络区域，网络总线上的设备包括内存， 网络接口以及u s b 土机控制器。 在各种随机存储器件中，s d r a m 的价格低、体积小、速度快、容量大，是比 较理想的器件。本设计所采用核心板包括一块d d rs d r a m ( d u a ld a t er a t e 第二章s a n cs o c 硬件结构 s d r a m ) 芯片，但d d rs d r a m 的控制逻辑比较复杂，对时序要求也十分严格， 使用很不方便，s a n c 提供专门的控制器，使系统用户能很方便地操作d d r s d r a m 。 f l a s h 作为种非易失性的存储器，具有掉电数据保存，可重复擦写，体积小， 容量大等特点，在嵌入式系统中得到了广泛应用。虽然目前普遍使用的大容量存储 器机械硬盘与f l a s h 相比虽有容量大和价格低的优点，但它是机电设备，有机械磨 损，可靠性及耐用性相对较差，抗冲击、抗振动能力弱，功耗大等缺点。而且随着 生产工艺的进步f l a s h 的价格越来越低，容量越来越大，在对存储器容量要求不大 的情况下，s a n c 网络终端选用f l a s h 作为本地信息存储器，能有效降低终端主板 面积和功耗，节省成本。因此，s a n c 中提供f l a s h 控制器，用于对f l a s h 存储器的 操作。 u a r t 即通用异步收发器( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v et r a n s mi t t e r ) 。串行通 信具有传输线少、成本低、可靠性高等优点。u a r t 作为一种通用串行数据总线， 用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在本设计中，u a r t 用来与p c 进行通信，包括与监控调试器和其它器件。r s 2 3 2 c 接口是目前最常用 的一种串行通信接口，一般用u a r t 专用芯片来实现。但考虑到专用芯片引脚较多， 内含许多辅助模块和一些辅助功能，在实际使用时往往用彳i 到这些功能，因此若采 用专用u a r t ：醛片，必使电路变得复杂，p c b 面积增大，从而导致成本增加，系统 的稳定性和可靠性降低。所以本设计在f p g a 芯片内部实现u a r t 功能模块。 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是英特尔、微软、i b m 、康柏等公司1 9 9 4 年联合制定的一种通用串行总线规范，它解决了与网络通信问题，而且端口扩展性能 好、容易使用。主要用于p c 机与外围设备的互联，可以大大简化计算机与外设的 连接过程。u s b 总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已 被广泛的应用在p c 机及嵌入式系统上。根据u s b 协议，整个u s b 系统必须要有 唯一的一个主机控制器作为系统的主控组件。因此为保证系统的通用性，s a n c 中 需要提供u s b 主机控制器，以控制总线上所有u s b 设备和集线器的数据通信过程。 作为网络终端，s a n c 通过以太网接口接入局域网与因特网或专用网相连，访 问服务器上的信息。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标 1 6 青岛大学硕士学位论文 准定义了在局域网( l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法。 3 4 系统物理层设计与实现 本设计中网络终端的电路实现方案为在一块包含a l t e r af p g a 芯片的核心板基 础上外括系统主板。该核心板除包括c y c