（系统工程专业论文）基于FPGA软核系统及以太网通信的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，是当今电子技术发展的又一新热 点，它具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特 征，目前已经广泛应用于军事、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。 随着近年来可编程逻辑器件的飞速发展，基于可编程逻辑器件的s 0 p c 技 术的优势也逐渐体现出来，设计快速、灵活，完备的软件开发平台，丰富的 i p 核等等，使基于可编程逻辑器件的s o c 得到了越来越广泛的应用。n i o s 就 是专门为s o p c 设计的一种软核c p u ，它以i p 核的形式提供给嵌入式设计者。 它的可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性，可以说它为嵌入式 系统的设计提代了一种全新的思路。 本文利用a l t e r a 公司生产的n i o si i 软核处理器以及s o p c 技术构建了 嵌入式网络硬件平台，然后在此平台上将数据通过以太网控制芯片i t l s 0 1 9 a s 发送到以太网。 嵌入式系统与t c p i p 协议栈的结合是嵌入式系统接入网络的基础，本文 根据u c o s i i 和h i p 协议栈对嵌入式系统的网络连接进行了分析和实现。 u c o s i i 嵌入式实时操作系统具有开源，内核简单高效，实时性好的优点， 广泛应用于嵌入式系统。l w i p 是一个比较完备的嵌入式t c p i p 协议栈，具有 开源、易移植的优点。通过在u c 0 s i i 上移植l w i p ，实现嵌入式系统的网络 连接。 本文的主要内容有：选用a l t e r a 公司的c y c l o n ee p l c 6 qf p g a 芯片( 内 嵌n 1 0 si ic p u ) 为核心处理芯片，并以a l t e r a 公司的q u a r t u si i 、n i o si i i d e 作为开发工具，利用s o p c 技术构建了嵌入式网络硬件开发平台；采用 r e a l t e k 公司的以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 控制以太网传输；实现了嵌入式实 时操作系统u c o s i i 在n i o si i 上的移植；在u c o s - i i 上实现了l w i p 协议 栈的移植；通过嵌入式t c p i p 网络实现了数据传输。 关键词：嵌入式系统；s o p c ；n i o si i 软核处理器；u c o s - i iit c p i p a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi so n eo ft h et o ph o tc o n c e p t s ；i ti sa l s oa n o t h e rh o ts p o ti n t h ed e v e l o p m e n to ft o d a y se l e e t r o n i c a lt e c h n o l o g y b e c a u s ei th a ss u c c e s s e d i n g c h a r a c t e r s ：t h es m a l lv o l u m e ，t h es t r o n gp e r f o r m a n c e ，t h el o wp o w e rc o n s u m p t i o n , t h ch i g l l l yr e l i a b i l i t ya n df a c i n gt oi n d u s t r ya p p l i c a t i o n , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm i l i t a r ya f f a i r s c o m s u m i n ge l e c t r o n y 、i n t e r a c t c o m m u n i c a t i o n 、i n d u s t r i a lc o n t r o l l i n g w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f p r o g r a m m a b l el o g i cc h i pi nr e c e n ty e a r s ，t h e a d v a n t a g eo fs o cb a s e do np r o g r a m m a b l el o g i cc h i pa r ea l s oe m e r g i n gq u i c k l y , s m a r td e s i g n , p e r f e c ts o f t w a r ed e v e l o pf l a t , p l e n t i f u li p c o r ea n ds oo n ，m a k i n g s o cb a s e do np r o g r a m m a b l el o g i cc h i pg e tm o l la n dm o l lw i d e l ya p p l y n i o si s ak i n do fc p ut h a td e s i g n e df o rs o p cs p e c i a l l yf o re m b e d d e ds y s t e md e s i g n e r , i t sak i n do fi pc o r e n i o sh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e c o n f i g n r a t i o n , w h i c hb 抽g s m o r ef l e x i b i l i t yt ot h ed e s i g n e r w ec a l ls a yt h a tn i o sh a so f f e r e dak i n do f b r a n d - n e wi r a i no f t h o u g h tt oe m b e d d e ds y s t e md e s i g n e r i nt h i sp a p e r , u s i n gn i o si ic p uo fa l t e r aa n ds o p ct e c h n o l o g yd e s i g n e d e m b e d d e dn e t w o r kh a r d w a r ep l a t f o r m , p a c k i n gd a t aa n dt h e ns e n d i n gi tt oi n e m e ! t b yr t l 8 0 1 9 a s ，w h i c hi sa ne t h e m e tc o n t r o l l e r c o 皿e c t i n ge m b e d d e ds y s t e m t on e t w o r ki sb a s e do ni n g e g r a t i o no f e m b e d d e ds y s t e ma n dt h et c p i ps t a c k i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ou c ，o s i ia n d l w i ps t a c k , r e a l i z ee m b e d d e dn e t w o r k u c o s i i ，w h i c hi sa l le m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) w i t bt h ea d v a n t a g eo ff r e ec o d e s i m p l e a n d e f f e c t i v ec o r e 。f m er e a lt i m e 。i sw i d e l ya p p l i e di ne m b e d d e ds y s t e m l w l pi sa l l e m b e d d e dt c p i ps t a c k , w h i ht h ea d v a n t a g eo ff r e ec o d e ，f u l lf u n c t i o n a l i t ya n d c a l lb er e p l a n t e d a n dt h e nw er e a l i z e dn e t w o r ke o n n e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e m b ym e a n so f r e p l a n t i n gu c o s - i ia n dl w l ps t a c l 1 1 ”c o n t e n to f t h i sp a p e r c h o o s i n gc y c l o n ee p l c 6 qo f a l t e r af p g aa sc o i l c h i p ，w h i c hi n c l u d e sn i o si is o f tc o r e ，m a k i n gu s eo f d e v e l o p m e n t t o o l sq u a r t u s1 i a n dn i o si ii d ea n du s i n gs o p ct e c h n o l o g yt od e s i g nh a r d w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f u r mo f e m b e d d e dn e t w o r k ；c o n t r o l l i n gn e t w o r kt r a n s m i s s i o nw i t h r t l 8 0 1 9 a so f r e a l t e ke t h e m e ti n t e p e ec h i p ；r e p l a n t i n gu c o s - i i t on i o si i ； r e a l i z i n gl w i p s t a c ko i lu c o s i ia n dn e t w o r kp r o g r a m m i n g ；t r a n s m i t t i n gd a t ab y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l i 页 e m b e d d e d 弋c e | i pn e t w o r k k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；s o p c ：n i o si is o f tc o r ep r o c e s s o r ：u c o s i i ； t c p ，i p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 嵌入式系统“3 用于具有专门用途的产品，并且基于计算枫技术的一种系 统。人们每天面对的很多设备都使用了嵌入式系统，无论消费品还是生产设 备。近年来，嵌入式系统的发展呈现出几个特点。首先，在硬件领域，s o c 和s o p c 技术发展迅速，两大f p g a 厂商x i l i n x 和a l t e r a 都推出了各自内含 c p u 以及其外围电路的f p g a ；其次，嵌入式软件的开发工具和操作系统日趋 完善1 ”。 同时，嵌入式系统接入i n t e r n e t 也逐步成为未来的一个发展趋势。未来 各种家电、个人消费品都连接到以太网，人们可以进行远程实时监控家庭、 工厂、商店等各种环境。嵌入式网络通信系统的应用将会越来越广泛。当其 与f p g a 、s o c 、s o p c 相结合时，在未来对人们的影响更为深远。随着嵌入式 系统与网络的日益结合，在嵌入式实时操作系统中引入t c p i p 协议栈，以支 持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。 a l t e r a 公司在其f p ( ；a 产品中嵌入n i o s n i o s i i 软核，使s o p c ( 可编程 片上系统) 能为用户提供更加灵活，适应性更强的设计基础。 1 2 嵌入式系统简介 1 2 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一，但这个概念 并非新近才出现。从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样嵌入式处 理器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史哪。 嵌入式系统最初的应用是单片机系统。2 0 世纪7 0 年代出现的单片机使汽 车、家电、工业机器、通信装置及其它成千上万种产品可以通过内嵌电子装 置来获得更佳的使用性能和更低的生产成本，这些装置已经初步具备了嵌入 式的应用特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 嵌入式系统应用广泛，嵌入式处理器的使用数量已经远远超过了通用微 处理器。个人计算机的外部设备中就有多个嵌入式处理器。制造、控制、通 信、测量、汽车、船舶、航空、航天、军事设备和消费类产品等都是嵌入式 系统发挥重要作用的领域。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和软件可裁剪， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机 系统。 1 2 2 嵌入式系统的特点 作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有以下几 个重要特征翻埘： 1 系统简练。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对 有限，所以系统内核与传统的系统相比要小得多。嵌入式系统一般没有系统 软件和应用软件的明显区分，不要求功能设计和实现的过于复杂，这既有利 于控制系统成本，同时也有利于实现系统安全。 z 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行软件的设计，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据硬件的变化和增减对软件不断进行修改。同时针对不同的任务，往往 需要对系统进行较大更改，程序的编译下载也要同系统相结合。 3 实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支 持直接运行，但为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行 选配实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 开发平台，这样 才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开发时间，保障软件质量。 4 专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设 计完成以后用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环 境才能进行开发。开发工具和环境一般基于通用计算机的软硬件设备、逻辑 分析仪和信号示波器等。 1 2 3 嵌入式系统的分类 1 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现 到今天，虽然己经有2 0 多年，但是这种电子器件目前在嵌入式设备中仍然有 较广泛的应用。微控制器的特点是单片化，体积大大减少，从而使功耗和成 本下降、可靠性提高。 2 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，它在系统结构和指令算法 方面进行了特殊设计，有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、 频谱分析等方面，d s p 获得了大规模的应用。 3 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变过来的。嵌入式微处理器 与通用计算机处理器有一定的区别，它只保留和嵌入式应用紧密相关的功能 硬件，去除其他的冗余部分，这样就以最低的功耗和资源满足了嵌入式应用 的特殊要求。 4 嵌入式片上系统“”( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，是当前嵌入式应用领域 的技术热点。从狭义角度讲，s o c 是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一 块芯片上。从广义角度讲，s o c 就是一个微小型系统，如果说中央处理器是大 脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。s o c 的出现使集成电路 发展成为集成系统，整个电子整机的功能可以集成到一块芯片中。s o c 具有极 高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系 统。设计者不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点 点的连结焊制，只需要使用精确的语言，直接在器件库中调用各种通用处理 器豹标准，然后通过仿真验证就可以到一个s o c 系统。由于绝大部分系统构 件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减少了系统的体积和功耗， 而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 1 3 嵌入式i n t e r n e t 网络技术概述 将嵌入式系统与以太网相结合m 的想法由来已久，主要的困难在于当时的 以太网在速度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求； 另外，各种网络通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比 较高，当时的嵌入式系统中除部分3 2 位以上的处理器外，都无法达到这一要 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 求。随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技 术的融入，以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩小。从8 0 年代起，一些 i t 组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌入式处理器都 支持网络协议。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件已经成熟。 以太网本质上是一个物理层标准，作为一套完整的网络传输协议，必须 具有高层控制协议，以太网使用了t c p i p 6 h 州。虽然t c p i p 并不是专为以太 网而设计的，但实际上它们现在已经不可分离了，其传输层和网络层的协议 基本上已经统一到t c p i p ，也已经为大多数工业控制器厂家所接受。以太网 最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p i p ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上几乎已 成通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非常容易地集成到以 i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的信息网络中。然而现有i n t e r n e t 技术的t c p i p 协议比较复杂，内容非常丰富，主要适用于与p c 的连接，在工业自动化领域 的广泛使用显得过于昂贵，并不适用。因此，降低硬件成本，简化t c p i p 协 议的实现有特别现实的意义。 嵌入式以太网的实质是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入系统 能够实现t c p i p 网络通信协议，接入以太网。将嵌入式系统与t c p i p 协议 融合到一起，主要有两种方法： i 硬件方法：使用已有的t c p i p 芯片直接作为以太网口。这种方法的 优点是可靠性高，执行速度快，但往往硬件电路复杂，价格昂贵，硬件成本 高。 2 软件方法：将t c p i p 协议以软件方式嵌入到嵌入式系统的r o m 中。 一般来说，t c p i p 协议栈都比较庞大，在嵌入式系统中很难支持完整的t c p i p 协议栈，因此要根据嵌入式网络产品的特点，精简t c p i p 协议，实现与需要 相关的部分，大幅度减少对于系统资源的需求。 本论文将采用第二种方法，即使用a l t e r a 公司生产的n i o si i 软核处理 器与简化的t c p i p 协议l w i p 相结合来完成嵌入式以太网通信协议的实现。 1 4 论文的研究意义及研究内容 随着大规模集成电路的发展，在单硅片上实现功能复杂的嵌入式微处理 器己经成为现实。微处理器性能价格比的极大提高使嵌入式系统适用于需求 更高、更复杂的专用系统领域。嵌入式设备以p c 机不可比拟的结构灵活性、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 稳定性和经济性成为计算机工业的高速增长点。芯片技术、软件技术、通讯 网络技术等嵌入式系统关键技术的新进展，推动着嵌入式系统升级换代、智 能化、普及化，向着应用的更广更深方向发展。 如果将因特网技术延伸到被广泛应用的8 1 6 3 2 b i t 处理器的软件平台 上，必然将极大拓宽因特网的应用领域。当前人们习惯了浏览h t 札文档和 收发电子邮件，而当嵌入式设备能在因特网上被远程控制和观测的时候，人 们可能会更多地依赖于用p d a 通过因特网来关掉匆忙出门时忘记的电饭锅， 也可能在自己的办公室中通过因特网查找自己忘在家里记事本上的电话，也 可能在家里观察远在千里之外的自己蔬菜工厂中的蔬菜长势。“今后在因特网 上的信息有7 0 9 6 将是嵌入式设备与人们交流的信息。”因而嵌入式设备的网 络化是社会发展进步的体现。而通过软件的方法实现网络协议比采用集成网 络协议芯片。具有节省空闯、降低成本的优点，更重要的是可以随意配置甚 至修改各种协议，且能通过软件升级方式跟随未来的发展。 基于上述原因，本文设计了基于f p c , a 嵌入式软核及以太网通信协议的系 统。以a l t e r a 公司生产的n i o si i 软核处理器和以太网控制器为核心进行硬 件系统平台设计，并在此基础上嵌入精简的t c p i p 协议栈。从嵌入式系统开 发网络通信的角度，采用实时内核u c o s - i i 对整个系统的内存资源及任务分 配进行管理，解决系统的实时性问题： 研究的内容包括： 1 、实现基于n 1 0 si i 软核处理器硬件系统平台的构建，介绍了以太网控 制器r t l s 0 1 9 a s 的结构及工作原理。 2 、分析了实时内核u c o s 一的结构，编写了u c 0 s i i 在n i o s 软核处 理器平台上的移植代码，详细介绍了如何在u c o s i i 下实现t c p i p 协议 栈。 3 、对现有嵌入式t c p i p 协议栈进行分析，给出系统的整体架构及 t c p i p 协议栈的具体实现方法，并对简化的t c p i p 协议l w i p 进行移植。 4 、通过实验对系统进行了调试，并对于存在的问题进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章f p g a 及n i o s 软核处理器简介 f p g a 吲嘲是英文f i e l dp r o g r a n u n a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可 编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产 物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既 解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念， 内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ，输出输入模块 i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有嘲。”： 1 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到适用芯片。 2 f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的样片。 3 f p g a 内部有丰富的触发器和i 0 引脚。 4 f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件 之一。 5 f p g a 采用高速c b m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之 一。目前f p g a 的品种很多，有x l l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列等。 2 1n i o s 系统组件 n i o s 嵌入式处理器系统包括一个或多个n i o sc p u 、a v a l o n 交换结构总线 和其他组件。a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 系统开发工具可用于自动地形成和连接 所有这些组件。 n i o s 嵌入式处理器系统的主要组件有“1 ( 如图2 - 1 所示) ： 1 n i o sc p u 。 2 a v a l o n 总线 3 外围设备和存储器接口 4 片内调试模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 1n i o s 软核处理器 图2 - 1 n i o s 处理器系统 n i o s 嵌入式处理器9 】 捌是用户可配置的通用r i s c 嵌入式处理器，它是一 个非常灵活和强大的处理器。n i o s 处理器的易用和灵活已经使它成为世界上 最流行的嵌入式处理器。 嵌入式设计者利用s o p cb u i l d e r 系统开发工具能够很容易地创建自己的 处理器系统。s o p cb u i l d e r 可用于集成一个或多个可配置的带有许多标准外 围设备的n i o sc p u ，并利用自动形成的a v a l o n 交换结构总线将外围设备与软 核连接在一起。 可配置n i o sc p i j 是n i o s 处理器系统的核心，它能够被灵活配置而适用 于各种各样的应用。例如一个1 6 位n i o sc p u ，在片内r o m 中运行一个小程序， 可以制作成一个实际的序列发生器或控制器，并且能够代替固定编码的状态 机。又如一个3 2 位n i o sc p u ，与外围设备、硬件加速单位和自定义指令一起， 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 堡 构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处理器系统。 n i o s 嵌入式处理器的独特性( 例如自定义指令和并行的多控制器a v a l o n 交换结构总线) 使它不同于市场上其他的处理器软核。这些特性允许n i o s 用 户通过用简单的而非传统的方法加速和优化自己的设计。 3 2 位和1 6 位n i o s 嵌入式处理器典型配置的比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1n i o s 软核处理器的内核参数 n i o s c p u 规格3 2 位n i o s c p u1 6 位n i o s c p u 数据总线宽度 3 21 6 a l u 宽度 3 21 6 内部寄存器宽度 3 2 。 1 6 地址总线宽度 3 21 6 指令宽度 1 61 6 随着更多的n i o s 开发套件的交付使用，n i o s 嵌入式处理器已经成为嵌入 式处理器软核的标准。3 0 版本的n i o s 嵌入式处理器具有更高的性能，包括： 1 更快地存取低成本的s d r a m 器件。 2 片内指令和数据高速缓存。 3 支持实时调试的j t a 6 调试器。 4 增强的a v a l o n 交换结构总线。 n i o s 嵌入式处理器的系统组件、开发工具和开发平台如表2 - 2 所示。 表2 - 2n i o s 嵌入式处理器系统组件、开发工具和开发平台 系统组件开发工具开发平台 c p us o p cb u i l d e r开发套件 a v a l o n 交换结构总线q u a r m s i i 设计软件软件授权 外围设备g n u p r o 出入式软件开发工具 片内调试模块第三方工具 2 1 2a v a l o n 交换结构总线 a v a l o n 总线嘲是a l t e r a 公司提出的一种总线结构，设计它的目的是为了 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 能够简单可靠地将处理器和外围设备连接起来构成一个s o p c 系统。a v a l o n 和n i o s 是在同一块芯片内，n i o s 必须使用a v a l o n 总线同外围设备相连。 a v a l o n 总线除了定义了主设备和从设备之间的连接端口，还定义了主从设备 之间的连接时序。 a v a l o n 总线具有以下的一些重要特性“： 1 简单的基于向导的配置。 2 并行的多控制器。 3 多达4 g b 的地址空间。 4 同步接口。 5 嵌入的地址译码。 6 带延迟的读写操作。 7 数据流处理。 8 动态的外围设备接口大小。 a v a l o n 总线很好的避免了传统总线中的性能瓶颈。它的每一个主设备和 该主设备需要访问的从设备之间有专门的数据通路。当一个主设备需要访问 某一个从设备时，多路选择器会为两者打开它们的专用通路。a v a l o n 总线中 每一个同多个主设备有数据交互的从设备都有一个专用的总线仲裁器。 a v a l o n 的总线仲裁不是仲裁总线的使用权，而是仲裁主设备对从设备的使用 权，也就是说当多个主设备需要访问同一个从设备时总线仲裁机制才发挥作 用。可以看出，在a v a l o n 总线结构下多个主从设备对可以同时进行数据传输， 这对系统的整体性能都有很大的提高。 从属设备 ，控制器1控炜q 器2 系统c p u ( d m a 控制器， ： 仲裁器 备瓶颈 l 系统总缱 i 图2 - 2 传统总线结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在传统的总线中，单个仲裁器控制一个或多个总线控制器跟总线从属设 备进行通信，由于每次只能有一个控制器可以存取系统总线而形成带宽瓶颈， 如图2 2 所示。 ， a v a l o n 交换结构总线使用从属设备侧仲裁技术，使并行多控制器操作最 大限度地提高系统性能。如果多个控制器同时存取从属设备，则由从属设备 侧仲裁决定哪一个控制器得到从属设备的存取权，如图2 - 3 所示。 从属设备 2 1 3 外围设备 图2 - 3 并行多控制器a v a l o n 交换总线结构 n i o s 嵌入式处理器包括可以在a l t e r a 可编程逻辑中实现的标准外围设 备库。a l t e r a 提供给用户这些外围设备的v e r i l o gh d l 和v h d l 源代码以及所 有系统综合需要的软件程序。 n i o s 外围设备库包括的外围设备有“州埘( 如表2 - 3 ) ： 1 定时器。 2 并行输入检出接口p i o 。 3 通用异步串行接口u a r t 。 4 3 级主从串行接口s p i 。 5 d m a 控制器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 6 存储器接口。 表2 - 3n i o s 外围设备库 外围设备 说明 定时器3 2 位定时器，能被用作周期性脉冲发生器或系统监视定时器 p t 0i 一3 2 位并行i o 接口( 输入、输出和边沿捕捉) u a r t通用串行接口，波特率、数据位、校验位和停止位可调，流量控制 信号可选 t s p i3 线主从串行外设接口 d m a 控制器在外围设备和存储器之间有效地进行批量数据传送 存储器接口连接片内r o m 和r a m ，片外s r a m 、f l a s h 、s d r a m 和串行配置 器件 以太网接口与可选的n i o s 以太网开发套件一起使用 用户逻辑接口连接片内用户逻辑或片外器件 2 2s o c s o p c 技术 随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高，嵌入式系统 也由板级向芯片级过渡，即片上系统( s o c ) 。s o p c 5 1 ，即s y s t e mo na p r o g r a n n a b l ec h i p ，片上可编程系统，是由a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出的一 种灵活高效的s o c 解决方案。s 0 p c 是以p l d 取代a s i c ，更加灵活、高效的解 决方案。s o p c 代表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协同设计 技术。设计师使用a l t e r a 公司提供的专用开发工具，在p l d 上创建硬软件开 发的基础平台，也即用s o p c b u i l d e r 创建软核c p u n 1 0 s 和参数化的接口 总线a v a l o n 。在此基础上可以很快的将硬件系统( 包括处理器、存储器、外 设接口和用户逻辑电路) 与常规软件集成在单一可编程的芯片中。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，它可编程的灵活性和i p 设计的重用性，易于保证 产品之间的差异性，降低了开发风险。 s o p c 将处理器、存储器、i 0 口、l v l ) s 、c d r 等系统设计需要的功能模块 集成到一p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统。它是可编程系统，具 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 有灵活的设计方式、可剪裁、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程 的功能。 s o p c 结合了s o c 和可编程逻辑器件各自的优点，一般具备以下基本特征： 1 至少包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 p 核资源可供选择。 4 足够的片上可编程逻辑资源。 5 处理器调试接口和f p g a 编程接口。 6 可能包含部分可编程模拟电路。 7 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和 实时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的软件设计技术、以p c b 和信号完整性 分析为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前以引起普遍关注的软 硬件协同设计技术“”。 与a s i c 比较起来，可编程逻辑器件设计起来十分灵活、便捷，可以缩短 上市时间，再加上可编程逻辑器件是按标准器件生产出来的，规模效应使得 成本十分低廉，故而在半导体领域中可编程逻辑器件呈现出一枝独秀的增长 态势，越来越多地成为系统级芯片设计的首选。s o p c 也取代a s i c 成为s o c 设计的新趋势“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章系统的构建和硬件平台设计 3 1 基于f p g a 软核的嵌入式系统 3 1 1 嵌入式处理器的选择 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两 大部分。硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括 系统软件和应用软件，嵌入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和软核之分。常用的嵌入式 处理器硬核有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、i n t e lx 8 6 和m o t o r o l a6 8 0 0 0 等；a l t e r a 公司开发的n i o s 是1 6 3 2 位嵌入式处理器软核。和硬核相比，软核的使用灵 活方便。 目前，c y c l o n e 系列的f p g a 包括e p l c 3 、e p i c 4 、e p l c 6 、e p l c l 2 、e p l c 2 0 等型号。本设计中将采用e p l c 6 0 2 4 0 c 8 “7 作为处理器，具体原因如下“”： 1 从硬件设计方面，e p l c 6 q 2 4 0 c 8 拥有5 9 8 0 个逻辑单元( l e ) ，足够装入 一个n 1 0 s 软核，以及用户白定义逻辑设计，并且拥有1 8 5 个通用i o 口，能 够提供足够的扩展口。 2 从软件设计方面，a l t e r a 公司提供完整的开发工具。通过a l t e r a 公 司的q u a r t u si i 软件可以对e p l c 6 的i o 脚很方便的进行定义、配置；允许 通过编程下载到f p g a 中，在不改变硬件电路板的基础上得到需要的功能电路、 接口、或者控制功能；通过s o p cb u i l d e d 可以对n i o s 软核外围基本器件进 行配置。 3 从价格和应用方面，e p l c 6 q 2 4 0 c 8 比较低廉，而且市场上货源充足， 适合进行实验性开发。 基于f p g a 的嵌入式系统设计是现在以及将来的嵌入式系统设计的趋势，它 具有的优势正逐渐体现出来。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 1 2 系统硬件的整体结构 不。 根据本设计的要求及由功能需求分析确定的硬件结构原理图如图3 - 1 所 5 o v 稳压器ii _ i 串行配置器件 l j t a o 插座l - j 4 m b f l a s h f p g a 一 l 扩展插座l 卜，7 - l 1 以太网接口 扩展插座2 i ，7 - c y c l o n e l 8 m b s d r a m e p l c 6 q 4 2 4 0 c 8 ，7 - i 发光二极管【4 】 按钮开关4 1 ；0 m h z 振荡器 1 - 1 g s - 2 3 2 插座 图3 1 硬件结构原理图 各主要模块基本组成： 1 微处理器采用a l t e r a 公司生产的c y c l o n e 系列的e p l c 6 0 2 4 0 c 8 。 2 f l a s h 存储器：连接到f p g a 的4 m bf l a s h 存储器件( a 1 2 9 l v l 6 0 d b ) ， 在f p g a 器件上实现的n i o s 嵌入式处理器可以使用f l a s h 存储器作为通用只 读存储器和非易失性存储器；并且f l a s h 存储器可以保存f p g a 配置数据，配 置数据在加电时通过配置控制器装入f p g a 器件。 3 s d r a m 存储器：s d r a m 器件与f p g a 器件相连，包含在n i o s 开发套件 中的s d r a m 控制器允许n i o s 处理器将s d r a m 器件作为大容量的线性可寻址存 储器使用，用来存储在系统运行时的代码和数据。 4 1 渊以太网接口：用一片网卡控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，通过网络隔离变 压器接到r j 4 5 以太网接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 5 串行接口：采用电平转换芯片b l a x 3 2 3 2 c 接r s 2 3 2 串行接口。 6 串行配置器件( e p c s 4 ) ：串行配置器件是具有串行接口的f l a s h 存储 器件，可以存储c y c l o n e 器件的配置数据，并在上电或重新配置时将配置数据 重新装入到c y c l o n e 器件。 3 2 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 3 2 1r t l 8 0 1 9 a s 概述 r t l 8 0 1 9 a s 是高度集成的以太网控制器，它能够简单的解答即插即用 n e 2 0 0 0 兼容适配器，这种适配器具有二重和功率t 降特性。通过三电平控制 特性，r t l 8 0 1 9 a s 是己制的对网络设备g r e e np c 理想的选择。全二重功能能 够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅增强带宽 从l o 到2 0 m b p s ，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取 协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适 配器资源，如i r o ，输入输出，和存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而 得不到即插即用功能的兼容性，r t l s o l 9 a s 支持j u m p e r 和j u m p e r l e s s 选项。 为了提供完全解决即插即用方案，r t l s 0 1 9 a s 在集成i o b a s e t 收发器， b n c ，和a u i 接口之间的自动检测功能。此外，8 条i r o 总线和1 6 条基本地 址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。 r t l s 0 1 9 a s 支持1 6 k 、3 2 k 和6 4 k 字节b r o m 和闪存接口。它仍然提供页 面模式功能，这种功能能支持在仅1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的 b r o m 。此外，b r o m 的无用命令被用来释放b r o m 内存空间。 r t l s 0 1 9 a s 用1 6 k 字节s r a i 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了 更多友好的功能，而且节省了s r a m 存储资源。 3 2 2r t l 8 0 1 9 a s 内部结构 r t l s 0 1 9 a s 由接收逻辑控制器、接收c r c 校验、接收计数器、f i f o 逻辑 队列、发送逻辑控制器、发送e r e 校验、内部总线、i o 缓冲区等组成。 r t l s 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访问 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 控制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口，其内部结构如图3 - 2 所示。本 地d m a 完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程d m a 操作。当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送 到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令。r t l 8 0 1 9 a s 在完成了上 一帧的发送后，再完成此帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、 c r c 校