（信号与信息处理专业论文）基于sopc技术的usb及以太网接口设计.pdf

- c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rd e g r e eo fm e n g u s b & e t h e r n e ti n t e r f a c ed e s i g n ba s e do nso p c t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：z h a oy u li a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gd i a n l u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：s i g n a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b 2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r 2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：缈 日期： 1 月1 夕年) 月乃日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程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。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大 本论文 解密后) 由 作者( 签字) ：考急动 日期：沙i 口年月码日 密后适用本声明。 口在授予学位1 2 个月后口 关部门进行保存、汇编等。 导师( 签字) 触 抄1 年月1 ) 日 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 随着嵌入式技术的不断进步，人们已经不满足于只使用d s p 和a r m 进 行嵌入式编程。a l t e r a 公司推出的n i o s 软核逐渐成为人们常用的工具之一。 n i o s 软核的发展符合了工业技术的发展潮流，即硬件设计软件化。n i o s 软核 正是s o p c 技术的代表之一。作为数据传输的主要方式，u s b 和以太网的传 输越来越多的被大家所应用。本文的主要设计内容：基于s o p c 技术的嵌入 式u s b 接口和以太网接口的设计。 u s b 工作内容主要在于u s b 的总体接口模块的设计，其中包括i s p l 3 6 2 控制器的编程以及整个顶层电路搭配；嵌入式的u s b 固件程序的开发；以及 u s b 测试程序的开发。 网络接口在分析嵌入式实时操作系统u c o s i i 的内核原理基础上，成功 在s o p c 系统中实现其任务管理、任务调度、时间管理、中断处理、内存管理 和通信机制等功能，并对t c p i p 网络协议进行研究，针对嵌入式系统的特点， t c p i p 协议进行合理的简化，在u c o s i i 中实现了嵌入式t c p i p 协议栈l w l p ， 成功实现了i p 、a r p 、i c m p 和t c p 通信协议。最后经由嵌入式的套接字程序 进行收发数据。 u s b 和以太网的数据传输已经深入到社会的各行各业，本文的内容可以 作为一个比较新颖的嵌入式系统解决数据传输的途径和方法。 关键词：片上可编程系统( s o p c ) ；n i o s 软核处理器；u s b 固件程序；u c o s i i 操作系统；t c p 协议栈；轻量级i p ( l w l p ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h ed s pa n da r m a r en o t e n o u g hf o r t h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dp r o g r a m n i o sc p um a d ei na l t e r a c o m p a n yg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h ec o n l l t l o nt o o l si ne m b e d d e dt e c h n o l o g y 砀ed e v e l o p m e n to fn i o sc p ui sa c c o r d e dw i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ei n d u s t r y , t h a ti sh a r d w a r ed e s i g nw i t hs o f t w a r e n i o sc p ui so n eo ft h er e p r e s e n t a t i v e so f s o p ct e c h n o l o g y a st h ep r i n c i p a lm e a n so ft h ed a t at r a n s f e r ，u s ba n de t h e m e t t r a n s m i s s i o na r ei n c r e a s i n g l yb e i n ga p p l i e db ya 1 1 t h ec o n t e s to ft h et h e s i si s ： e m b e d d e du s ba n de t h e m e ti n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nt h es o p ct e c h n i c a l a ut h et a s k so fu s ba r ec o n s i s t e do fo v e r a l lm o d u l eo fu s bi n c l u d i n g i s p136 2c o n t r o l l e ra n dt o p 1 e v e lc i r c u i te n t i r e ，e m b e d d e du s bf i r m w o r k p r o g r a ma n dt e s to fu s b e t h e m e td e s i g nb a s e do nt h ea n a l y s i so fp r i n c i p l e so fc o r ei ne m b e d d e d r t o su c o s i i ，i t sf u n c t i o n so ft a s km a n a g e m e n t ，t a s ks c h e d u l i n g ，t i m e m a n a g e m e n t ，i n t e r r u p tp r o c e s s i n g ，m e m o r ym a n a g e m e n t a n dc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ma n ds o m eo t h e r sa r ei m p l e m e n t e di ns o p cs y s t e m i to p e r a t e s n o r m a l l yt h r o u g ht e s t i n g b a s e do ni n d e p t hr e s e a r c ho f t c p i pp r o t o c o la n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c kl 、i pi s s i m p l i f i e dr e a s o n a b l ya n di m p l e m e n t e di nu c o s i i i p , a r p , i c m p a n dt c p c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ei m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y a tl a s t ，d a t aa r et r a n s m i t t e d b ye m b e d d e ds o c k e tp r o g r a m d a t at r a n s m i s s i o no fu s ba n de t h e m e ti n t e r f a c eh a v ec o m m o n l yb e e nt a k e n t oe v e r yw a l ko fl i f ei nm o d e ms o c i e t y t h et h e s i sc a nb er e g a r d e da san o v e lw a y t os o l v et h ep r o b l e mo fe m b e d d e dd a t at r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：s o p c ；n i o sc p u ；u s bf i r m w o r kp r o g r a m ；u c o s i i ；t c ps t a c k ； l i g h ti ps t a c k ( l w l p ) 1 2s o p c 技术简介及发展概述1 1 2 1s o p c 简介1 1 2 2s o p c 技术发展前景2 1 3u s b 2 0 的技术概述3 1 4 以太网的发展概述4 1 5 论文的主要内容4 第2 章n i o s 软核处理器及s o p cb u i l d e r 简介6 2 1n i o s 软核处理器一6 2 1 1n i o s 处理器简介6 2 1 2n i o s 总线介绍7 2 1 3n i o s 处理器系统的外围设备与其定制指令8 2 1 4n i o s 开发流程9 2 2s o p cb u i l d e r 简介1 1 2 3 本章小结1 2 第3 章u s b 软件设计实现1 3 3 1u s b 2 0 的体系结构及规范13 3 1 1u s b 2 0 的基本构架与总线结构1 3 3 1 2u s b 2 0 的传输类型1 6 3 2i s p l 3 6 2 的接口总体模块及信号连接方式1 7 3 2 1i s p l 3 6 2 的芯片简介1 7 3 2 2 总体模块1 9 3 2 3i s p l 3 6 2 内部连接方式1 9 3 3 固件的设计与实现2 2 3 3 1 固件程序的构架2 2 3 3 2 固件程序的实现2 2 4 1t c p i p 协议简介3 5 4 2d m 9 0 0 0 a 的接口总体模块与信号连接方式一3 5 4 2 1d m 9 0 0 0 a 的芯片简介3 5 4 2 2 总体模块3 7 4 2 3d m 9 0 0 0 a 信号连接方式3 8 4 3u c o s i i 与l w i p 在n i o s 上的移植4 0 4 3 1u c o s i i 操作系统的移植4 0 4 3 2l w i p 协议的移植4 2 4 4 网卡驱动程序4 9 4 4 1 初始化部分4 9 4 4 2 发送程序部分51 4 4 3 接收程序部分5 2 4 4 4 中断处理程序5 3 4 4 5l w i p 测试结果5 4 4 5 嵌入式应用程序及结果5 6 4 6 本章小结6 3 结 论6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 9 致谢7 0 附录7 1 在社会信息化日益发展的今天，计算机技术、网络技术以及通信技术己 经渗透到人类生存、活动的各个领域中。同时，将数据处理技术和通信融合 是下一代应用程序的基础，利用普遍存在而且便宜的连接，可以将面向机器 和面向人的数据类型从一个位置或环境传送到另一个位置或环境。而u s b 和 以太网则提供了一种普通存在的连接。 网络技术与u s b 技术的应用越来越得到大家的重视和使用。在人们的 日常生活中，随处可见u s b 硬盘，u s b 存储器，网络文件传输，电子邮件 等已经成为人们沟通与交互信息不可或缺的手段。同时，这些工具也使人们 传递数字信息更加简单，方便。 a l t e r a 公司n i o s 软核概念的提出以及s o p c 的软硬件综合解决方案。彻 底颠覆了传统的嵌入式系统的设计理念，从硬件和软件整体设计上对嵌入式 系统设计进行了极大的推动，使得嵌入式系统的硬件电路更加简单、有效， 易于理解；软件的设计变得轻松，移植性更强。 1 2s o p c 技术简介及发展概述 1 2 1s o p c 简介 微电子技术的近期发展成果为s o c 的实现提供了多种途径。对于经过验 证又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路( a s i c ) 而大量生产。而 对于一些仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c ，若马上投入流片生产，则 需要更多的资金，承担较大的试制风险。s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ，简称为可编程片上系统) 技术则为之提供了一种有效的解决方案，即 可用大规模可编程逻辑器件f p g a 来实现s o c 的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较 少的p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过 程中，p l d 的结构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进 步。尤其是在2 0 世纪9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片的集成 哈尔滨工程大学硕士学何论文 度由原来的数干门，发展到数十万甚至数百万门。芯片的i o 口也由数十个 发展至上千个端口。有的制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的i p 。因此， 完全可能将个电子系统集成到一片f p g a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提 供了一种简单易行而又成本低廉的手段，极大地促进了s o c 的发展。 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应 的开发软件q u a r t u s i i 。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色。s o p c 结合了 s o c 和p l d 、f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速r a m 资源； 丰富的i pc o r e 资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。 应用方向： 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中预 先植入处理器。这使得f p g a 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机 地结合在一起，高效地实现s o p c 系统。 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中植 入软核处理器，如：n i o si i 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的e d a 工具，对n i o si i 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、 功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的应用。这种s o p c 系统是指将成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化。把大容量f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本 敏感的电子产品，避开了直接设计a s i c 的困难。 1 2 2s o p c 技术发展前景 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，目前o 1 3 微米的a s i c 产品制 2 哈尔滨工程大学硕士学何论文 造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围 i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。 s o p c 被称为“半导体产业的未来”。 s o p c 的概念和客户期望远远超过了新的处理器。这触及到数字系统设 计每一方面，从定义独立的硬件部件，到把它们自动地智能地连接起来，到 处理器上运行的软件。在p l d 设计发展过程中，在p l d 内实现c p u 是必由 之路，但是让基于p l d 处理器可视化的工具流程也促进了可编程单芯片系统 的设计。 s o p c 这样的自动集成工具已经具备了为主流p l d 用户提供芯片系统设 计的能力。a t t e r a 推出s o p cb u i l d e r 工具，提出了p l d 的最高度设计抽象， 弥补了软件和硬件同时集成的空白。我们正处于s o p c 即插即用时代前沿， 其间处理器，i p 模块和软件能够一起“工作”。 相对于单片机、a r m 等，s o p c 的应用还不多见；然而，几年后，甚至 更短时间，也许s o p c 的身影就像今天的单片机一样随处可见。因此，掌握 s o p c 技术必将引领未来嵌入式系统设计的潮流。 1 3u s b 2 0 的技术概述 u s b 试外围设备与计算机进行连接的新型接口，其最早是由c o m p a q 、 d i g i t a le q u i p m e n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m7 家公 司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的，目的试简化外设的连接过程，使p c 机接口 的扩展更加容易。 2 0 0 0 年4 月2 7 日，c o m p a q 、d i g i t a le q m p m e n t 、i b m 、i m e l 、m i c r o s o f t 、 n e c 和n o a h e mt e l e c o m7 家公司共同发布u s b 2 0 版本，其传输速率最高倒 4 8 0 m b p s s ，一时之间，u s b 红遍全球。现在，u s b 支持3 种传输速率：低 速( 1 5 m b p s s ) 、全速( 1 2 m b p s s ) 和高速( 4 8 0 m b p s s ) ，4 种传输类型：块传 输、同步传输、中断传输和控制传输。即u s b 应用起来灵活方便，能满足多 种外设的需要。 随着u s b 2 0 的新版本发布，u s b 越来越流行，目前它已经成为一种彼 岸准接口，现在市场上出售的所有p c 都支持u s b ，而且很多外设只推出u s b 版本，如移动硬盘和电子盘等。可以预见，u s b 的应用肯定会越来越广泛， d a p r a 的前身a r p a 建 目的，它有五大特点： 1 ) 支持资源共享； 2 ) 采用分布式控制技术； 3 ) 采用分组交换技术； 4 ) 使用通信控制处理机； 5 ) 采用分层的网络通信协议。 2 0 世纪9 0 年代，随着商业的介入，出现大量的i s p 和i c p ，丰富了i n t e m e t 的服务和内容。从目前的情况来看，i n t e m e t 市场仍具有巨大的发展潜力，未 来其应用将涵盖商业的各个方面。另外，i n t e m e t 带来的电子贸易正改变着现 今商业活动的传统模式，其提供的方便而广泛的互联必将对未来社会生活的 各个方面带来影响。 随着世界各国信息高速公路计划的实施，i n t e m e t 主干网的通信速度将大 幅度提高；有线、无线等多种通信将更加广泛、有效的融为一体；最新的发 展包括实时图像和话音的传输；网络资源急剧膨胀。总之，人类社会必将更 加依赖i n t e m e t ，人们的生活方式将因此而发生根本的改变。 1 5 论文的主要内容 本论文主要完成两个重要的内容：u s b 的接口设计以太网的接口设计。 开发u s b 和以太网接口所采用的硬件平台为a l t e r a 公司的d e 2 开发板，论 文的主要工作是实现u s b 和以太网的软件设计部分以完成u s b 和以太网的 数据传输。 其中u s b 部分选择u s b 2 0 接口技术，u s b 2 0 接口完全满足和符合现行 所有的数据传输速度需要。u s b 的工作大概分为以下几个阶段： u s b 通信协议的研究； i s p l 3 6 2 的接口模块设计； u s b 固件程序开发； 4 哈尔滨工程大学硕士学何论文 u s b 驱动程序； 试应用程序开发。 的研究是以1 0 0 m 以太网为基础的研究，1 0 0 m 以太网最高传 1 0 0 m b p s ，利用双绞线传输，距离可以达到1 0 0 多米，在速 度和距离上都能满足要求。以太网的工作大概分为以下几个阶段： 熟悉以太网的t c p i p 协议以及l w l p 协议； d m 9 0 0 0 a 的接口模块设计； 软件t c p i p 协议栈实现网络通信，主要工作包括 t c o s i i 嵌入式操 作系统的移植、l w i p 协议栈的移植及网络接口芯片d m 9 0 0 0 a 驱动 程序的编写； 上位机网络测试程序的编写( w i n s o c ka p i 程序的编写) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章n i o s 软核处理器及s o p cb u i l d e r 简介 2 1n i o s 软核处理器 n i o s 处理器是一种软核c p u ，并针对a l t e r a 的可编程逻辑器件和片上可 编程系统的设计思想做了相应优化。作为一种可配置的通用r i s c 处理器，它 可以与用户自定义逻辑( u s e r l o g i c ) 结合构成s o p c 系统，并下载至l j a l t e r a 的 可编程器件中去。3 2 位n i o s 软核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。 2 1 1n i o s 处理器简介 a l t e r a 公司的n i o s i i 是基于r i s c 技术的通用嵌入式处理器芯片软内核， 它特别为可编程逻辑进行了优化设计，也为可编程单芯片系统( s o p c ) 设计了 一套综合解决方案。第二代n i o s 嵌入式处理器和c y c l o n ei if p g a 组合，在 器件中只占用0 3 5 美元的逻辑资源。n i o si i 处理器在c y c l o n ei if p g a 也具 有超过1 0 0d 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 程芯片系统，风险和成本比中小规模的a s i c 小。它与2 0 0 0 年上市的原一代 n i o s i 相比，最大处理器性能提高3 倍，c p u 内核部分的面积最大可缩小1 2 吼。 n i o si i 系列嵌入式处理器使用3 2 位的指令结构集( i s a ) ，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 处理器的基础上的，定位于广泛 的嵌入式应用。n i o si i 处理器包括了三种内核快速的( n i o si i f ) 、经济 的( n i o si ) 和标准的( n i o si 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 处理器嵌入到他们的系统当中。 表2 1 n i o si i 嵌入式处理器的特性 6 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 gb y t e 寻址空间 片内调试基于边界扫描测试的调试逻辑、支持 硬件断点、数据触发、以及片外和片 内的调试跟踪 定制指令最多达2 5 6 个用户定义的c p u 指令 n i o si i 的集成开发环境( i d e ) 软件开发工具基于g n u 的编译器 硬件辅助的调试模块 2 1 2n i o s 总线介绍 n i o si i 采用a v a l o n 总线结构，a v a l o n 总线是s o p c 硬件系统中的重要组 成部分。a v a l o n 接口规范是为可变成片上系统s o p c 环境下外设的开发而设 计的，为外设的设计者提供描述主外设和从外设中基于地址读写接口的基 础，例如微处理器、存储器、u a r t 、定时器等外设口矾。 接口规范定义了外设和a v a l o n 开关互联结构( a v a l o ns w i t c hf a b r i c ) 之间 的数据传输。在没有主或从接口先验知识的情况下，规范的互联策略允许任 何主外设连接到任何从外设。a v a l o n 接口描述了一个可配置的互联策略，允 许外设的设计者限制支持某种特定传输所需的信号类型。 a v a l o n 接口定义了以下内容 一组信号类型； 信号的行为； 信号支持的传输类型。 a v a l o n 总线接口可以分为两类：s l a v e 和m a s t e r 。s l a v e 是一个从控 接口，而m a s t e r 是一个主控接口。s l a v e 和m a s t e r 主要的区别是对a v a l o n 总线控制权的把握。m a s t e r 接口具有相接的a v a l o n 总线控制权，而s l a v e 接口是被动的。常见的a v a l o n 的传输结构有：a v a l o n 总线从读( s l a v e r e a d ) ，a v a l o n 总线带一个延迟状态从读，a v a l o n 总线从写( s l a v ew r i t e ) ， a v a l o n 总线带个延迟状态从写h 1 。 a v a l o n 总线的特点有： 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 所有外设的接口与a v a l o n 总线时钟同步，不需要复杂的握手应 答机制。这样就简化了a v a l o n 总线的时序行为，而且便于集成高速外 设。a v a l o n 总线以及整个系统的性能可以采用标准的同步时序分析技术 来评估。 所有的信号都是高电平或低电平有效，便于信号在总线中高速传 输。在a v a l o n 总线中，由数据选择器( 而不是三态缓冲器) 决定哪个信号 驱动哪个外设。因此外设即使在未被选中时也不需要将输出置为高阻态。 为了方便外设的设计，地址、数据和控制信号使用分离的、专用 的端口。外设不需要识别地址总线周期和数据总线周期，也不需要在未 被选中时使输出无效。分离的地址、数据和控制通道还简化了与片上用 户自定义逻辑的连接。 a v a l o n 总线还包括许多其他特性和约定，用以支持s o p cb u i l d e r 软件自动生成系统、总线和外设，包括： 最大4 g b 的地址空间存储器和外设可以映像到3 2 位地址空 间中的任意位置 内置地址译码a v a l o n 总线自动产生所有外设的片选信号，极 大地简化了基于a v a l o n 总线的外设的设计工作 多主设备总线结构a v a l o n 总线上可以包含多个主外设，并自 动生成仲裁逻辑 采用向导帮助用户配置系统s o p cb u i l d e r 提供图形化的向导 帮助用户进行总线配置( 添加外设、指定主从关系、定义地址映像等) 。 a v a l o n 总线结构将根据用户在向导中输入的参数自动生成 动态地址对齐如果参与传输的双方总线宽度不一致，a v a l o n 总线自动处理数据传输的细节，使得不同数据总线宽度的外设能够方便 地连接 2 1 3n i o s 处理器系统的外围设备与其定制指令 1 外围设备 n i o si i 开发包含有一套通用外设和接口库。关于可进行s o c p b u i l d e r 设 计的完整知识产权( p i ) 和外设清单，包括s d r a m 控制器、应用f l a s h 接口、 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 e p c s 控制器、p i o 、定时器、u a r t 、j t a gu a r t 、s p i 、m d a 、系统i d 、 p l l 和m u t e x 等i p 核。随着i p 核的不断丰富，用户s o p c 系统的开发将更 加简单、快速、高效、s o p c 的应用领域也将不断扩展口。 同时，用户也可以自定义一些外围设备接口，并将其集成在n i o s i i 处理 器系统中。使用s o p cb u i l d e r ，可以在a l t e r af p g a 中，组合实现现有处理 器无法达到的嵌入式处理器配置，每次都能得到所需的结果。 2 定制指令 定制指令为n i o s 处理器的算术逻辑单元增加了定制逻辑，设计者通过定 制指令，用快速高效的定制逻辑块替代复杂耗时的软件程序。在一个c p u 中， 可以运行多达五个组合或时序定制模块，还可以访问n i o s 系统模块外的存储 器和或逻辑。定制逻辑模块在两个寄存器r a 和r b 内容的基础上执行用户定 义的操作，结果存放在寄存器r a 中。这些定制逻辑模块的功能只受限于器 件内逻辑单元( l e ) 和设计得的想象力。 定制硬件模块能够通过n i o s 嵌入式处理器指令集中的五个用户定义操 作码来访问。s o p cb u i l d e r 在生成系统期间会为任何定制指令创建宏，通过 这些自动产生的c 和汇编语言宏就可以方便地访问自定义指令操作码。 表2 2 定制指令的结构类型、应用 结构类型应用 c o m b i n a t o r i a l ( 组合)单时钟周期定制逻辑块 m u l t i c y c l e ( 多周期) 固定或变长周期的多个时钟的定制逻辑块 e x t e n d e d ( 扩展)能够进行多种操作的定制逻辑块 i n t e r n a lr e g i s t e rf i l e ( 1 勾部为输入和或输出访问内部寄存器文件的定制逻辑块 寄存器文件) e x t e r n a li n t e r f a c e ( # - 部接与n i o si i 处理器的数据路径外逻辑接口的定制逻辑 口、块 2 1 4n i o s 开发流程 1 硬件开发流程 系统设计所需的具体硬件设计工作如下： 1 ) 用s o p cb u i l d e r 系统综合软件来选取合适的c p u 、存储器以及外 9 i i 软件选取目标器件并对n i o si i 系统上的各种i o 口分配管脚， 另外还要根据要求进行硬件编译选择或时序约束的设置。在编译 的过程中，q u a r t u si i 从h d l 源文件综合生成一个适合目标器件 的网表。最后，生成配置文件。 3 ) 使用q u a r t u si i 编程器和a l t e r a 下载电缆，讲配置文件下载到相应 的目标板上。当校验完当前硬件设计后，还可再次将新的配置文 件下载到目标板上的非易失存储器里。下载完硬件配置文件后， 软件开发者就可以把此目标板作为软件开发的初期硬件平台进行 软件功能的开发验证了。 2 软件开发流程 系统所需的具体软件设计工作如下： 1 ) 在用s o p cb u i l d e r 系统集成软件进行硬件设计的同时，就可以开 始编写独立于器件的c c + + 软件。用户可以使用现成的软件库和 开放的操作系统内核来加快开发进程。 2 ) 在n i o s i ii d e 中建立新的软件工程时，i d e 会根据s o p cb u i l d e r 对系统的硬件配置自动生成一个定制h a l ( 硬件抽象层) 系统库。 这个库能为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，它类似于 创建n i o s 系统时s o p cb u i l d e r 生成的s d k 。 3 ) 使用n i o si d e 对软件工程进行编译，调试。 4 ) 将硬件设计下载到目标板上后，就可以将软件下载到目标板上并 在硬件上运行。 1 0 - - 图2 1n i o s 开发流程图 2 2s o p cb u i l d e r 简介 s o p cb u i l d e r 是a l t e r a 公司推出的一种在p l d 内实现嵌入式处理器相关 设计的工具。它是一个革命性的系统级开发工具，其功能与p c 应用程序中 的“引导模板”类似，旨在提高设计者的效率。设计者可确定所需要的处理器 模块和参数，并据此创建一个处理器的完整存储器映射。设计者还可以选择 所需的i p 外围电路4 1 。 s o p cb u i l d e r 可以快速地开发定制新方案，重建已经存在的方案，并为 其添加新的功能，提高系统的性能。通过自动集成系统组件，s o p cb u i l d e r 允许用户将工作的重点集中到系统级的需求上，而不是从事把一系列的组件 装配在一起这种普通的、手工的工作。所有的版本的a l t e r aq u a r t u s l i 的设计 软件都已经包含了s o p cb u i l d e r 。设计者采用s o p cb u i l d e r ，能够在一个 工具内定义一个从硬件到软件的完整系统，而花费的时间仅仅是传统s o c 设 计的几分之一。 储器接口、桥接口、a s s p 、a s i c ) ，数字信号处理( d s p ) i p 和 硬件加速外设。 2 3 本章小结 本章主要介绍n i o s 处理器以及s o p cb u i l d e r 与n i o s 的开发流程，这是 论文的基础工作。也为后续的u s b 开发与以太网的开发做铺垫。 1 2 学硕十学位论文 软件设计实现 u s b 是一种电缆总线，它支持主计算机与许多可同时访问的外设之间进 行数据交换。连接的外设通过一个主机调度的、基于令牌的协议共享u s b 带 宽。总线允许在主机和其他外设工作的时候连接、配置、使用和拔出外设。 下面简要介绍一下u s b 的体系结构与规范。 3 1 1u s b 2 0 的基本构架与总线结构 3 1 1 1u s b 2 0 的基本构架 u s b 可以从3 个方面进行描述： u s b 互联； u s b 设备； u s b 主机。 u s b 互联是指u s b 设备与主机连接及通信的方式，它包括总线拓扑、层 间关系、数据流模型和u s b 调度。u s b 将u s b 设备与主机连接在起。u s b 物理互联是一个分层的星型拓扑结构。集线器在每个星型的中心。每段线路 都是主机与集线器或功能设备之间，或者集线器与另一个集线器或功能设备 之间的点对点的连接7 1 。 计算机系统的u s b 接口被称为主机控制器。主机控制器可以是硬件、固 件或软件的组合。根集线器集成在主机系统，它提供了一个或多个连接点。 u s b 设备在支持u s b 协议，响应标准的u s b 操作，标准的性能描述信 息方面呈现为标准的u s b 接口。 图3 1u s b 总线拓扑图 u s b 的物理接口在一条4 线的电缆上传输信号和电源。信号在两条点对 点连接的线上传输。它支持3 种数据速率：u s b 高速信号4 8 0 m b s ；全速信 号1 2 m b s ，性能有限的低速信号1 5 m b s 。 v b u s d + 队 g n d v b u $ d + d g n d 图3 2u s b 电缆 u s b 2 0 主机控制器和集线器提供了一种性能，使全速和低速数据可以在 主机控制器与集线器之间以高速传输，而在集线器与设备之间以全速或低速 传输。这种性能将全速和低速设备对高速设备可用带宽的影响减到最小。 3 1 1 2u s b 总线结构 u s b 是一种轮询的总线，由主机控制器初始化所有的数据传输。 大多数总线处理都包含最多3 个包的传输。每次处理都从主机控制器在 计划的基础上发送一个描述处理类型和方向、u s b 设备地址以及端点号的 u s b 包开始。这个包被称为“令牌包”。 主机控制器和集线器之间的某些总线处理包含4 个包的传输。这些处理 的类型是用语管理主机和全速低速设备的数据传输。主机上的信源或信宿与 设备端点之间的u s b 数据传输模型被称为管道。管道共有两种类型：流管道 1 4 啥尔滨工程大学硕士学位论文 和信息管道。流管道数据没有u s b 定义的结构，而信息管道数据有。另外， 管道还与数据带宽、传输服务类型和端点特性有关m 。 u s b 在主机与连接的u s b 设备之间提供通信服务。 u s b 2 0 的数据流模型终端用户将一台或多台u s b 设备连接到主机，如 图3 3 所示。但实际上它实现起来比图中表示的稍微复杂一些，而且要求开 发人员从不同的角度用不同的系统观点解释特定的u s b 要求。 图3 3 简单的u s b 主机设备示意图 互 连 功能层 u s b 设备层 u s b 总线接口层 图3 4u s b 的实际应用区域 图3 4 是对u s b 更深入的概述。它识别系统的不同层次，u s b 有4 个重 要的应用领域： u s b 物理设备在u s b 电缆的末端执行一些有用的终端用户功 能的硬件。 客户软件是相应于u s b 设备，在主机上执行的软件。客户软 件是由操作系统提供或者随同u s b 设备一起提供的。 通信，但实际上数据是在u s b 总线接口层完成的。 3 1 2u s b 2 0 的传输类型 u s b 通过主机客户软件程序的存储器缓冲区与u s b 设备端点之间的管 道传输数据。由消息管道传输的数据具有u s b 定义的结构，但u s b 也允许 专用设备构造的数据在u s b 定义的消息数据有效负载中传输。u s b 也定义 了在总线的任何管道上传输的数据都要进行打包，但最终对在总线处理的数 据有效负载中传输的数据进行格式化和解释，是使用这个管道的客户软件和 功能设备的责任。u s b 提供了不同的传输类型。它们被优化，从而更符合使 用管道的客户软件和功能设备的服务要求。i r p 用一个或多个总线处理在客 户