（电子科学与技术专业论文）分布式控制系统网络控制器的sopc设计.pdf

摘要 本文研究了基于n i o s i i 嵌入式软核处理器的分布式控制系统( d c s ) 网络控制器 的设计与实现方法。以n i o s l l 嵌入式软核做为中央处理器，利用f p g a 的逻辑资源实 现网络控制器的各种功能，构成片上可编程系统( s o p c ) ，利用极少的硬件资源实现 了可重构网络控制器。 设计的网络控制器的片上可编程系统可分为两个主要部分：以太网控制部分和 c o n t r o l l e rl i n k 网络控制部分。 在以太网控制部分通过移植l w i p 并且编写驱动程序来控制r t l 8 0 1 9 a s 芯片，然 后根据s o p cb u i l d e r 提供的编辑自定义组件功能设计r t l 8 0 1 9 a s 的功能组件，完成 对以太网的数据收发进行控制。 在c o n t r o l l e rl i n k 网络控制部分通过使用欧姆龙公司提供的f i n s g a t e w a y 的库函数 编写f i n s 协议的收发响应命令，以及使用a l t e r a 公司提供的l p 核( p c im t 3 2 ) 实现 p c i 总线协议数据的传输。 关键词：n i o s l l 片上可编程系统分布式控制系统以太网c o n t r o l l e rl i n kp c i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nn i o s l le m b e d d e ds o f t c o r ep r o c e s s o r , ad i s t r i b u t e dc o n t r o l l e r s y s t e mn e t w o r kc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e d a sac p u ，n i o s l le m b e d d e ds o f t 。c o r e u s ef p g a l o g i cr e s o u r c e st oa c h i e v et h ef u n c t i o n so fn e t w o r kc o n t r o l l e r , a n du s em i n i m a l h a r d w a r er e s o u r c e st oa c h i e v ear e c o n f i g u r a b l en e t w o r kc o n t r o l l e rf o rac o n s t r u c t i o no f s o p c n e t w o r kc o n t r o l l e ro f o n c h i pp r o g r a m m a b l es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w om a i np a r t s ： p a r to n ei se t h e r n e ts e c t i o na n dt h eo t h e ri sc o n t r o l l e rl i n kn e t i nt h ep a r to fe t h e r n e tc o n t r o l l e rt h r o u g ht h et r a n s p l a n t i n gl w i pa n d w r i t i n gd r i v e r st o c o n t r o lr t l 8 019 a s c h i p s ，t h e ne d i t i n gc u s t o mc o m p o n e n t sp r o v i d i n gb ys o p cb u i l d e rt o d e s i g nt h er t l 8 0 1 9 a sf u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ，a c h i e v et h es e n d i n ga n dr e c e i v i n ge t h e m e t d a t a i nt h ep a r to fc o n t r o l l e rl i n kn e t w o r kc o n t r o l l e r , t h r o u g ht h eu s et h el i b r a r yf u n c t i o n s o ff i n s g a t e w a yw h i c hp r o v i d e db yt h eo m r o n c o r p o r a t i o n ，c o m p i l et h ef i n sp r o t o c o io f t r a n s m i s s i o nt or e s p o n dt h ec o m m a n d s ，a n da c h i e v ep c ib u sp r o t o c o ld a t at r a n s m i s s i o nb y u s i n gi pc o r e ( p c im t 3 2 ) o f a l t e r ac o r p o r a t i o n k e y w o r d s ：n i o s l ls o p c d c se t h e r n e t c o n t r o l l e rl i n kp c i l l 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 本课题的研究背景1 1 2 研究内容1 第二章分布式控制系统的基本原理和发展历史3 2 1 分布式控制系统简介3 2 2 分布式控制系统发展历程3 2 3 分布式控制系统的体系结构4 第三章分布式控制系统网络控制器的硬件设计7 3 1 以太网功能模块设计7 3 2r s 2 3 2 串口控制模块设计9 3 3j t a g 控制模块设计9 3 4 网络控制器的电源电路及保护电路的设计1 0 第四章以太网技术及l w lp 的移植1 3 4 1 以太网技术1 3 4 2l w i p 的移植1 4 第五章网络控制器s o p c 组件设计1 9 5 1s o p c 技术概述1 9 5 2n i o s i i 软核嵌入式处理器及其s o p c 系统开发环境2 0 5 3n i o s i i 多处理器结构设计2 2 5 4 自定义组件设计2 5 第六章p c i 总线设计及c o n t r oi ie rlin k 网络实现3 9 6 1p c i 总线概念及特点介绍3 9 6 2 当前业界p c i 总线设计的主要方式3 9 6 3 基于a 1t e r a 公司i p 核的p c i 总线设计4 0 6 4c o n t r o ll e rl i n k 网络的设计4 3 第七章网络控制器功能的测试4 9 7 1p l c 硬件设置4 9 7 2p l c 软件设置及测试4 9 致谢5 3 l i i 参考文献5 4 附录5 6 l v 第一章绪论 1 课题研究的背景 随着信息技术的不断发展，为工业控制扩大规模带来了巨大支持，由此也引发了 业控制领域的第= 次革命，特别是i n t e r a c t 网络的飞速发展，更是加快了工业向信 化、数字化的转变。为此，传统的分布式控制系统( d s c ) 也发生了巨大变化，各 厂商都为自家产品设计了能够提供大量信息、数据交换的网络系统，从而引入了现 总线技术，而且还为能够组建更加庞大的工业控制体系开发了以太网技术，最终形 了现代工业的三级网络结构【1 1 j ：信息层网络( 以太网) 、控制层网络、设备层网络。 为使工业设备在原有体系不被破坏的情况下，具备网络互联能力( 特别是不同层 的网络互联) ，引入嵌入式技术就是十分有效的方案。很多研发嵌入式的公司都提 了网络连接的有效方法，借助嵌入式操作系统，可以满足所有的工业需求，值得一 的是如l i n u x 、c o s i i 等免费的操作系统的应用，可以有效降低成本，提高产品 竞争力。 与传统嵌入式所使用的s o c 系统不同，s o p c 的开发成本较低，大多数情况下一 f p g a 芯片外加相应的开发软件就可以进行设计。图1 - 1 是一个以n i o s i i 为微处理 的典型的s o p c 系统【5 1 ，虚线内的部分包括n i o s l i 处理器以及自定义组件和s o p c i l d e r 提供的标准控制器，它们都在一个f p g a 芯片内实现。可见，采用s o p c 的 计方法可以大大提高系统开发的灵活性与系统工作的稳定性。 玎a g 软件调试 i 盯熹试i蚕l 霎 i 数州 叫 u a r t e l x d n i o s 处理器核f r x d h _ 叫 定时器i s 。r a m l 一蚓s d r a m 挖危9 器p o 叫 定f 付器2 | 片l r o mb _ 叫l c d 驱动约l 件k叫l c d l h 础 广 叫, t f l j - t 9 i 0 1陪- 叫按键、l e d 等i o r s m m 一_ 蝴髫誉蕊卜 叫 以太列接u 卜叫以太网m a c p h y f p g a 1 一紧凑式f l a s h 接【lk 叫 紧凑式f l 鹳h 图卜1n i o s i i 软核处理器典型s o p c 系统 2 研究内容 本文将通过f p g a 开发适用于工业控制的网络控制器，将其应用于分布式控制系 ，其中控制部分借助a l t e r a 公司的嵌入式软核n i o s l l 来完成中央处理器模块的设计。 络控制器的最小系统是通过a v a l o n 总线将f p g a 外部的f l a s h 和s d r a m 与嵌入式 1 软核n i o s l l 的最小系统 则使用欧姆 对系统进行 具体安 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 2 第二章分布式控制系的基本原理和发展历史 2 1 分布式控制系统简介 分布式控制系统是由许多控制回路及控制这些回路的计算机所组成的，控制回路 对现场设备进行有效控制，然后控制回路的计算机将这些设备的控制信息集中起来， 对它们进行管理和控制，因此，该系统形成了上下分级的结构体系，集中管理，分散 控制。 上层管理体系可以由多台计算机组成，它们具有不同的功能，分别处理不同信息， 并且为操作人员提供可视的操作界面，简化了操作；而下层控制体系由微处理器组成， 它们控制不同的回路，具有不同的控制功能，并且相互独立。上层管理体系与下层控 制体系通过网络进行大量的数据传输和信息交换。这样的结构体系可以很好的保证整 个系统的可靠性，当上层的计算机出现故障，下层的控制回路仍然具备独立控制能力， 可以继续工作，不会使整个系统瘫痪下来，即使下层的部分控制回路无法正常工作， 其他回路也能够不受影响的继续运行，最大程度的确保系统稳定工作。 2 2 分布式控制系统的发展历程 从1 9 7 5 年第一套分布式控制系统( d c s ) 的诞生到现在，主要走过了三个发展 阶段： 1 第一代分布式控制系统 第一代分布式控制系统的出现是在1 9 7 5 年到1 9 8 0 年期间，由于是刚刚出现的概 念，再加上当时的控制领域比较注重控制功能的设计，所以早期的分布式控制系统的 设计将主要精力都放在现场控制部分的实现上了，每个研制分御式控制系统的公司都 将当时最为先进的微处理器应用于自己的现场控制体系里，导致这一时期的分布式控 制系统的控制能力强大且成熟，而系统信息的处理及监控十分薄弱，只有仪表控制系 统提供监控并显示操作信息，在实际应用中功能单一，不便于操作。 2 第二代分布式控制系统 第二代分布式控制系统的出现是在1 9 8 0 年到1 9 8 5 年期问，与上一代相比，它引 入j ，局域删技术，将分布式控制系统中的操作站、控制站等核心部分以网络节点的彤 式连接起来，这使得整个系统的规模变得更加庞大，而且网络的引入使得系统具备了 更好的扩充性，为工业自动化的设计提供了方便。作为第二代分布式控制系统，它已 经不再依靠仪表等系统作为人机交互界面，而是利用计算机平台丌发新的人机界面， 由于c r t 显示技术以及图形处理技术的不断提高，操作人员可以利用其提供的可视 的图形界面束了解系统的生产和控制信息，并且通过计算机的键盘和鼠标在c r t 屏 幕上对系统进行操作。 3 第三代分布式控制系统 第三代分布式控制系统与上一代产品相比，不但加入了管理功能，更加强化了网 3 络功能，能够与以太网连接，或者通过网间连接器与其他网络连接，组成更加庞大的 网络系统。同时，这一代的分布式控制系统还支持现场总线技术，这样可以使控制过 程中的主要设备之间进行可靠的、实时的数据传输，提高整个系统的工作效率。 这一代的过程控制采用的是计算机辅助设计方法( 简称c a d ) ，他最大的特点就 是方便易懂，借助计算机强大的图形处理能力，能够给操作者提供直观、明确的操作 界面，操作人员可以自行定制功能。 综上所述，这一代的分布式控制系统已经是比较成熟的体系了，它形成了信息管 理层、控制层和设备层的三层结构体系，这三层体系就是当今分布式控制系统的基本 组成，而且充分的利用网络技术、现场总线技术，实现工业数据信息的实时传递，为 工业自动化的大规模设计提供了可靠性的保证。 2 3 分布式控制系统的体系结构 简单的分布式控制系统一般有四个部分【1 2 】：操作员站、现场控制站、工程师站和 系统网络。基本结构如图2 1 所示。 图2 1 典型d c s 体系结构 1 操作员站 该站的任务是为操作人员提供人机交互界面，通常是图形处理设备或是计算机等 等。操作员站的配置要求不高，跟个人计算机的配置基本相同，不过要求具备大尺寸 的现实设备，如：c r t 或是l c d 等等，而且有时还要拥有图像处理能力较高的微处 理器和较大的内存，因为有的系统需要多屏幕显示，为的是能够让操作人员对多个工 作环境的信息进行观察和处理。 4 2 现场控制站 分布式控制系统的核心就是现场控制站，其主要功能是实现对现场设备的控制功 能。对于现场控制站的设计和组装的要求都是非常高的，因为它将决定整个分布式控 制系统的性能，如：可靠性、稳定性和安全性等等。关于现场控制站的硬件配置一般 都是专门的工业计算机系统组成，主要包括处理器( c p u ) 、存储器、输入输出设备 和现场执行单元等等。 现场控制站的内部分为逻辑部分和现场部分。逻辑部分是指处理器和存储器等， 它们是用来对数据进行处理、运算和存储的；现场部分是指输入输出设备等。这两部 分在设计或安装时是被严格分开的，以防止现场的干扰信号对计算机的工作产生不利 影响。逻辑部分和现场部分的数据传输一般是通过工业计算机的内部并行总线，如： m u l t i b u s 、v m e 、s t d 、i s a 、p c i 0 4 、p c i 和c o m p a c tp c i 等。不过由于并行总线的 机构比较复杂，很难实现总线的扩充，而且在实现逻辑部分和现场部分的严格隔离上 也存在很大困难，加之成本又很高，所以很多生产厂商都放弃这种连接方式，转而使 用串行总线，具有代表性的有：c a n 、p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 等。较并行总线而言，串 行总线具备以下优点： ( 1 ) 成本更低。 ( 2 ) 容易实现逻辑部分与现场部分的隔离。 ( 3 ) 容易实现总线的扩充。 ( 4 ) 可以实现较远距离的输入输出模块连接。 口 3 工程师站 该站是分布式控制系统中的一个特殊功能站，主要任务是完成对分布式控制系统 进行应用组态。所谓应用组态是分布式控制系统的重要环节，用来定义系统的具体功 能，如：控制方式、控制算法和控制的输入输出量等等，当然还包括系统报警和历史 数据记录等这些辅助功能的设置。如何完成组态的设置十分重要，只有正确的组态设 置才能使分布式控制系统成为真正可运行的系统。 一般标准的分布式控制系统都会有工程师站，当然也有一些较小的系统没有配 置，不过即使没有工程师站，其功能也依然存在，只是合并到操作员站之中而以，这 种状态下，要通过切换功能柬实现工程师站和操作员站转换，根据需要来具体运用不 同的功能。 4 系统网络 系统网络是分布式控制系统的一个重要组成部分，其功能是将系统各个站连接起 来。因为分布式控制系统是由很多不同功能的站所构成的，要想让整个系统能够正常 运作那就需要这些工作站之间进行有效的数据传输，所以系统网络的可靠性和实时性 就对整个系统的性能具有重要影响。 早期的系统网络及其相应的软件和硬件产品都是由各个生产厂商自行设计，缺乏 互通性，但是随着网络技术的不断发展，网络标准化也得到了广泛的共识，特别是以 5 太网的出现，更是加速了网络标准化的进程，现在越来越多分布式控制系统的生产商 将以太网作为系统网络，进而组建更大规模的工业网络，实现更加智能的、容量更大 的工业自动化环境。 通过本章对分布式控制系统( d c s ) 的介绍，我们可以基本了解其基本架构和工 作原理，而且经过对分布式控制系统发展历史的分析，不难看出当今的发展前景就是 通过以太网这样的网络平台构建大型工业自动化生产环境，因此本文将根据这一发展 形势作出符合工业生产需求的设计。 6 第三章分布式控制系统网络控制器的硬件设计 现代工业自动化水平发展迅速，特别是网络技术不断地发展更是促进了现代工业 的自动化程度和控制规模的进一步扩大，因此本文的网络控制器也正是基于这一点而 设计的。现代工业网络主要是以三层网络为基本架构，分别是信息网( 主要以以太网 为主) 、控制网、设备网，其中的控制网作为整个网络架构的核心尤为重要。本文设 计的网络控制器主要功能是实现信息网与控制网之间的相互通信，所选用的信息网是 以太网，而控制网则是欧姆龙公司特有的c o n t r o l l e rl i n k 网络。 3 1 以太网功能模块设计 作为一种高集成度的以太网芯片，r t l 8 0 1 9 a s 不仅能简单的实现p 1 u ga n dp l a y ， 而且具备掉电及兼容n e 2 0 0 0 等特性。作为电脑网络解决方案的理想选择，r t l 8 0 1 9 a s 提 供了三种掉电模式。在全双工模式下，如果是连接到一个同样是全双工的交换机或集 线器，就可实现同时接收和发送。这个特性虽然不能把传输速率从l o m b p s 提高到 2 0 m b p s ，但是在执行以太网c s m a c d 协议时，可以避免更多的冲突的发生。而 m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 功能就可以为用户减轻对资源配置的烦恼( 如i r q 、i o m e m o r ya d d r e s s 等) 。又或者是在一些特殊的场合，为了对一些不支持m i c r o s o f t s p l u ga n dp l a y 的器件的兼容，r t l s 0 9 1 a s 还可以选择跳线模式或非跳线模式。 为了完整的支持p n p ，r t l 8 0 1 9 a s 提供了自动检测l o b a s e t 集成收发器( r j 4 5 ) 还 是a u ib n c 接口。除了l o b a s e t 可以自动极性修正外，8 路中断请求和1 6 位i o 地址都可 以根据资源配置机动调节。 r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k 、3 2 k 、6 4 k 字节的b r o m ，另外还支持f l a s hm e m o r y s n 页访问方 式，最大支持4 m 字节( 1 6 k 2 5 6 ) 此外还支持在运行完b r o m 后释放内存，以供系统其他 程序的运行。r t l 8 0 1 9 a s 在片内已经集成了1 6 k 字节的s r a m 。 7 殁 。磊矗 ”i 广。 e。1 ，q 笙 椠 ，q 叫 z 尚 上 埘4 i斛扛 一 哥，：陬 1 ，t 譬鲁 1 ”| 十。 、。裔虿舀囊墓笔薹嫠墓囊兰篓善百毫警暑笔藩誉誉誉邑量蘑髦蜀量骂。，； 磊 , l h o。；，q i l hi n l 耋警胪 l l | 、 ； i t i r i e l f o i 、i v f j ：；一 善 ，j ( 1 r l w 驾 l f xs 州 ) t 露 j p o 一；i； 蓦协： i ， ；i i 、s 1 ) ”； i ) od ” 十 ； 量，?s d4 。、ds d ， 嘶 l 角 i ； l lr ) f nr ) i )n n ，书 l o ，若 w ，r ： 7 氓 i xf 7 q i ， 、pn 7 ， l i | 卜| | r ”3 “黧曼n 8 理萎矗裔爱餮西西西辫鬻譬磐馨石器譬譬馨篓圜搿器髫誉” 颦煞土妻五 石o v y 昝i j ，；g ：；：o 韬go 聊t j 酎“、；v t |噎攒安 fg它 。雌 毽 卅i 吨：丑m 中 i i r i i 一 餐窖 _ 螽 叫荟 “ 一一 翻q i 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连接，这种连接方式的实时性较低， 因此只能用于对实时性要求不高的工业场合，但由于其成本低廉，有多家公司支持， 所以有较好的通用性。本文将其设计为备用连接方式，以提高设计的可靠性。 图3 2 串f 设计图 图3 - 2 为r s 2 3 2 接口电路，本文选用的r s 2 3 2 的接口芯片是s p 3 2 3 2 e ，s p 3 2 3 2 e 是r s 2 3 2 收发器对便携式或手持式应用( 如笔记本或掌上型电脑) 的一种解决方案。 s p 3 2 2 2 e 3 2 3 2 e 系列有一个高效的电荷泵，工作电压为3 3 v 时只需0 11 1f 电容就可 进行操作。电荷泵允许s p 3 2 3 2 e 系列在+ 3 3 v 到+ 5 o v 内的某个电压下发送符合 r s 一2 3 2 的信号。s p 3 2 3 2 e 是一个2 驱动器2 接收器的器件。s p 3 2 3 2 e 器件的e s d 保护 使得驱动器和接收器的管脚可承受1 5 k v 人体放电模式和i e c l 0 0 0 4 2 气隙放电模 式。s p 3 2 2 2 e 器件包含一种低功耗关断模式，该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被 禁止。关断状态下，电源电流低于1ua 。 3 3j t a g 控制模块设计 图3 - 3 为j t a gf 载调试电路，j t a g 是j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p 的缩写，意思是 9 联合测试行动小组，这是一种国际标准测试协议，其主要功能是为芯片内部测试及对 系统进行仿真、调试提供同一的标准。目前大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议， 如f p g a 、a r m 、d s p 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s ，t c k , t d i 和t d o 分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。 s 目n ；。忒霹嘲t 孙戳4 强黝嬲 奄置贸 “，戳4l k 珏珏t 谧 压；璐f 露 1 1 蛄- t i x t r j 甄1 渔嚣6z ：s l , a t j 5 参行。虹蛤一蕊 ik ：l , j g 了0 虻矗0 勰 tk 。：k ：r 0 ：口了3 c 砸 征 贮二 临 0 0 ) ：强 x ：骚王l 一3 j 上z 二? ：i 譬：了0 = 谴：a m 必 一3 4j霓v隘 【髓t 。娃了gr e s t _ 上咒畛僦一 l2a l 聪 ，】 s 。lj i a r ：二v = ； 毒 = = - 7 秘：t：】4 l 磤虁 - - 6s t a m 煎。 s t 曩；s d 0 罅 一 o ：，：_ j ：0 ：f j g 曩：三 1 5 jt 一 0 o 。一t 了j o 饔 4 i 礴50 忑 ；也t 、 t 3。醛 互ka z 0 3 。“1 3 撅& l 。 一k i 一篓雾餮 3 3t a g 设计图 t a g 测试允许将多个j t a g 测试器件串联在一起形成一个j t a g 链，然后一次 的实现对各个器件分别测试。j t a g 接v i 还常用于实现i s p ( i n s y s t e mr o g r a m m a b l e 系统编程1 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。通过j t a g 接e 1 ，可对芯片内部的 有部件进行访问，因而j t a g 测试是丌发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。 4 网络控制器的电源电路及保护电路的设计 源电路如图3 - 4 所示，s p x l l l 7 为一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些 效率，小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。 p x i1 7 有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1 1 v 。当输出电流减少时，静 电流随负载变化，并提高效率。s p x l1 7 可调节，以选择1 5 v 、1 8 v 、2 5 v 、2 8 5 v ， o v 、3 3 v 及5 v 的输出电压。本设计的核心f p g a 控制芯片内部逻辑阵列供电电压为 5 v ，串口控制电路及e e p r o m 芯片等供电电压为3 3 v ，因此只需将外部输入的5 v 为1 5 v 和3 3 v 两种电压。 0 u 9 s p x n1 7 1 5 秘 s 双1 1 1 7 - 3 - 3 图3 - 4 电源电路设计图 s p x l1 1 7 有多种3 引脚封装：s o t - 2 2 3 、t 0 - 2 5 2 、t 0 - 2 2 0 及t 0 - 2 6 3 。一个1 0uf 的输出电容可有效地保证稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2 2uf 电 容。 图3 - 5 掉电保护电路设计 掉电保护电路如图3 - 5 所示，c a t l 0 2 5 包含1 个精确的v c c 监控测试电路和2 个 开漏输出：r e s e t 和r e s e t 。当v c c 低于复位fj 槛电j 玉时，r e s e t 引脚将变为高 电平，r e s e t 将变为低电平。c a t l 0 2 5 还包含一个写保护输入( w p ) 。如果w p 连 接高电平，则写操作被禁止。 图3 - 5 中，c a t l 0 2 5 的电源监控电路和复位电路可在系统上、下电时保护存储器和 系统微控制器，防止掉电条件的产生。c a t l 0 2 5 都能够提供5 种不同的复位门槛电压， 可支持5 v 、3 3 v _ j n 3 v 的系统。如果系统电源超出范围，复位信号有效，禁止系统微控 制器、a s i c 或外围器件的操作。在电源电压超出门槛电压后的2 0 0 m s，复位信号仍 保持有效。高电平有效和低电平有效的复位信号c a t l 0 2 4 2 5 与微控制器和其它i c 器 件的连接变得很简单。另外，r e s e t 管脚或者独立的复位输入管脚m r 都可以用作 手动按键复位输入。 c a t l 0 2 4 2 5 片内2 k 位的串行e e p r o m 构成1 6 字节的页。另外，v c c 电压监 控电路提供了硬件数据保护功能，防止在v c c 降到低于复位门槛电压或上电时v c c 上升到复位门槛电压之前对存储器的写操作。 1 2 第四章以太网技术及l wip 的移植 4 1 以太网技术 以太网( e t h e r n e t ) 是指由x e r o x 公司创建并由x e r o x ，i n t e l 和d e c 公司 联合开发的基带局域网规范。以太网络使用c s m a c d ( 载波监听多路访问及冲 突检测技术) 技术，并以1 0 m b i t s 或是更高的速率运行在多种类型的电缆上。以 太网与i e e e 8 0 2 3 系列标准相类似。 4 1 1 以太网的工作原理 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问( c s m a c d ) 机制。以太网中 节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网 络。以太网的工作过程如下： 当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： 1 监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙碌状态， 就继续监听，直到信道空闲为止。 2 若没有监听到任何信号，就传输数据 3 传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间 后，重新执行步骤1 ( 当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送或返回到监听信 道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所 有的节点) 4 若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必 须在最近一次发送后等待9 6 微秒( 以1 0 m b p s 运行) 。 4 1 2 以太网帧的结构 以太网的帧是数据链路层的封装，网络层的数据包被加上帧头和帧尾成为 可以被数据链路层识别的数据帧( 成帧) 。虽然帧头和帧尾所用的字节数是固 定不变的，但根据被封装的数据包大小的不同，以太网的长度也在变化，其范 围是6 4 , - - 1 5 1 8 字节( 不算8 字节的前导字) 。如果数据包小于4 6 字节，则要 求“填充”，以使这个字段达到4 6 字节。填充是必须的，因为数据字段要求至少 4 6 字节长。如图4 一l 所示。 字段前导帧开始符目的源m a c长度类型类型和填帧校验 码 m a c 地 地址充 序列 址 段长度7166224 6 1 5 0 04 ( 节) 图4 - 1 以太网帧结构 1 3 4 1 3 工业以太网技术 工业以太网是当前工业控制领域的研究热点。工业以太网重点在于利用交 换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之l 、日j 的相互协调合作提供一种 交互机制并和上层信息网络无缝集成。目前工业以太网开始在监控层网络上逐 渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透。 1 工业以太网的特点： 虽然脱胎于i n t r a n e t 、i n t e r n e t 等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生 产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。既有与信息 网络相同的特点和安全要求，也有自己不同于信息网络的显著特点和安全要求： ( 1 ) 工业以太网是一个网络控制系统，实时性要求高，网络传输要有确定 性。 ( 2 ) 整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的 工业以太网以及现场设备层( 如现场总线) 。管理层通用以太网可以与控制层 的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信。 ( 3 ) 工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期 信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是 需要立即响应的。 ( 4 ) 工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为 非紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协 议。 2 工业以太网安全要求： ( 1 ) 工业以太网应该保证实时性不会被破坏，在商业应用中，对实时性的 要求基本不涉及安全，而过程控制对实时性的要求是硬性的，常常涉及生产设 备和人员的安全。 ( 2 ) 当今世界舞台，各种竞争异常激烈。对于很多企业尤其是掌握领先技 术的企业，作为其技术实际体现的生产工艺往往是企业的根本利益。一些关键 生产过程的流程工艺乃至运行参数都有可能成为对手窃取的目标。所以在工业 以太网的数据传输中要防止数据被窃取。 ( 3 ) 开放互联是工业以太网的优势，远程的监视、控制、调试、诊断等极 大的增强了控制的分布性、灵活性，打破了时空的限制，但是对于这些应用必 须保证经过授权的合法性和可审查性。 4 2l f fip l w i p 是一种为嵌入式系统所专门丌发的t c p i p 协议栈，其全称是l i g h t w e i g h t i n t e r n e tp r o t o c o l ，意思是轻量级网络协议。由于嵌入式系统的存储资源有限，所 以为了能够适应这一点，l w i p 在满足t c p i p 协议的基本功能的情况下，降低了对r a m 1 4 的使用量，通常只有几十k b y t e ，再加上它的源代码是开放的，所以在嵌入式系统中 等到了广泛应用。 下面介绍l w i p 的一些特点： i 卜包括在多个网络接口上转发的数据包。 i n t e r n e t 信报控制协议( i c m p ) 用于网络维护和调试。 用户数据报协议( u d p ) 。 t c p 包括阻塞控制、i 册估计、快速回复和快速重发。 动态主机配置协议( d h c p ) 。 以太网地址解析协议( a r p ) 。 标准套接字a p i 。 a l t e r a 的l w i p 端口使用的是肛c o s i ir t o s 多线程环境。因此，要使用l w i p ， 就必须先建立基于c o s i ir t o s 的c c + + 工程。 4 2 1 “c o s - i l 在n io s 上的移植 “c o s i i 是一个集合了信号量、邮箱、消息队列等用于多任务操作系统相关的 调度器。我们在设计时主要针对其多任务调度部分，这部分通过汇编语言编写，将处 理器相关寄存器的值进行保存或是恢复。这部分只需要修改三个和n i o s l i 有关的文件 即可。具体介绍如下： 1 o sc p u h 文件 与n i o s l i 相关的编译器是n i o s e l f - g c c ，它定义数据类型有8 位、1 6 位、3 2 位的无符号和有符号整型变量。 当任务发生切换时，堆栈单位会保存处理器现场寄存器的值，等到当前任务完成 后再将保存的寄存器值恢复。堆栈增长方向设置如下： # d e f i n eo ss t kg r o w t h1 由高地址向低地址写入。 这里还包括一些宏定义： # d e f i n eo se n t e rc r i t i c a l 0d i s a b l ei n t e r r u p t0 ：关中断 # d e f i n eo s e x i t c r i t i c a l 0e n a b l e i n t e r r u p t0 ； 丌中断 # d e f i n eo st a s ks w0o s c t x s w ： 切换任务 2 o sc p uc c 文件 该文件是用来定义所要保存的寄存器的位置，这里我们由高到低将寄存器r a 、 i s t a t u s 、r l - - 一r 3 1 保存到堆栈中。 3 o sc p ua s 文件 该文件中包含几个需要用户用汇编完成修改的函数： ( 1 ) o s s t a r t h i g h r d y0 1 5 该函数只在多任务启动时执行一次，通过o s s t a r t0 调用，获取任务就绪表中的 最高优先级任务的堆栈指针s p ，然后依次恢复处理器相应寄存器的值，使得当前最高 优先级的任务能够得到系统的最快相应，在第一时间获得处理器的使用权，除非有更 高优先级任务出现或是该任务被阻塞，否则直到运行结束，该任务彳。会终止。 ( 2 ) o s c t x s w 0 该函数是任务级的任务切换函数。它主要的工作是先把当前任务的处理器相应寄 存器的值保存到当前任务堆栈中，然后通过获取当前最高任务的堆栈指针恢复其处理 器相应的寄存器的值，使其能够继续运行。 ( 3 ) o s i n t c t x s w 0 该函数是中断级的任务切换。当发现有高优先级任务就绪时，它就会在退出中断 后直接去执行高优先级任务，而不回到被中断的任务。这样可以使高优先级的任务得 到快速响应，提高整个系统的实时性。 ( 4 ) o s t i c k l s r 0 该函数是时钟节拍中断处理函数，它的主要任务是负责时钟中断的处理，通过调 用o s t i m e t i c k 函数，检测当前是否有高优先级任务就绪，如果有就在中断任务中执 行。 ( 5 ) o se n t e rc r i t i c a l 0 和o se x i tc r i t i c a l 0 o s e n t e r c r i t i c a l ( ) 是进入临界区的宏指令函数，o s e x i t c r i t i c a l 0 是退出 临界区的宏指令函数，它们主要负责在进入临界区之前关闭中断和在退出临界区的时 候恢复原来的中断状态。 4 2 2l w lp 移植过程 关于l i w p 的移植，它在c o s i i 上的实现是通过修改放在s r c a r c h 目录下的 文件。下面具体说明如何修改这些文件： 1 与c p u 及编译器相关的文件 相关文件放在1 w i p s r c a r c h i n c l u d e a r c h 目录下，它们定义了如数据长度等 与处理器和编译器有关的参数。 另外，存数掘包处理过程中，l w i p 会用结构体中不同数据的k 度柬读取相应的 数据，因此在定义结构体时要使用p a c k e d 关键字，为此，l w i p 在结构体定义中有几 个p a c k s t r u c t x x x 宏，移植时，只需要添加编译器( n i o s e f t g c c ) 所对应的关键 字即可。 2 1 i ba r c h 中库函数的实现 在l w i p 中用到几个外部函数，它们的功能主要有1 6 位数据高低字节交换、3 2 位数据大小端对调、字符串比较、返回字符串的长度、内存数据块清零和内存数据块 的拷贝等等，这些函数都是与用户使用的系统或编译器有关，所以需要用户自己去实 现。 1 6 3 与操作系统相关的部分 这部主要分包括与口c o s i i 相关的一些结构和函数，可以分为四个部分： ( 1 ) s y s s e m t 信号量 由于l w i p 的通信依靠的是信号量，所以需要实现与信号量相关的结构体和处理 函数。具体如下：