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        基于FPGA和SOPC以太網(wǎng)通信系統(tǒng)解決方案

        2015-12-28 12:24:03王曉鵬
        數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 2015年12期

        王曉鵬

        摘要:傳統(tǒng)的以太網(wǎng)解決方案,一般采用CPU連接物理層接口芯片,需要編寫以太網(wǎng)通信協(xié)議,對后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)均提出較高要求;本系統(tǒng)采用SPOC技術(shù),解決了上述缺點。方案中采用Altera 公司的Cyclone Ⅱ系列芯片EP2C20F484C6,添加Nios Ⅱ嵌入式處理器軟核作為控制CPU,利用帶有TCP/IP 協(xié)議棧W5100 來實現(xiàn)以太網(wǎng)接口;采用SPI串行總線接口方式,接口程序相對簡單。

        關(guān)鍵詞:FPGA SOPC NiosⅡ W5100

        中圖分類號:TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2015)12-0000-00

        1 概述

        SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng),具有靈活設(shè)計、可裁剪、可升級,具備軟硬件在系統(tǒng)上可編程的能力,Nios II 是一個用戶可配置的通用的32位RISC嵌入式處理器,該處理器以軟核的形式實現(xiàn),Nios II 的開發(fā)包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩部分[1]。

        2 基本結(jié)構(gòu)

        以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有的局域網(wǎng)中所采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),由于采用了很多新技術(shù)和獨特的設(shè)計,與一般的通信總線相比,具有突出的速度性、擴(kuò)展性和靈活性。由于采用FPGA集成Nios II片上系統(tǒng)控制W5100驅(qū)動芯片,可以完全淘汰單片機(jī),節(jié)省印制板空間, 其主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示[2]:

        圖1 W5100芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        W5100集TCP /IP 協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC 和PHY 為一體,支持ICP、UDP、IPV4、ICMP、ARP、IGMP 和PPPOE 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2];內(nèi)置16 KByte 發(fā)送/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;W5100還支持自動識別數(shù)據(jù)通信,采用全雙工或半雙工的傳輸模式,并兼容100 M 以太網(wǎng)絡(luò)。

        3 硬件設(shè)計

        本設(shè)計方案由于數(shù)據(jù)量不大,速度較小,未達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值,所以采用SPI接口。而SPI的通信原理非常簡單,SPI主要采用主從方式工作,該種通信模式通常有一個主設(shè)備和多個從設(shè)備,一共需要4根線,實際上3根就可以,3根通信線主要用于單向傳輸時鐘,也就是半雙工方式,而且所有SPI設(shè)備是共有的,它們分別是主入從出MISO、主出從入MOSI、時鐘SK、片選CS[3]:

        MISO------主設(shè)備通信數(shù)據(jù)輸出,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入;

        MOSI------主設(shè)備通信數(shù)據(jù)輸入,從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出;

        SCK-------時鐘采集信號,由主設(shè)備產(chǎn)生;

        CS--------從設(shè)備產(chǎn)生使能信號,由主設(shè)備控制;

        其中片選CS控制W5100芯片能否被選中,預(yù)先規(guī)定的使能信號為片選信號時對該芯片的操作才會有效,這樣我們可以在同一個總線上連接多個SPI設(shè)備。串行接口模式需要4個引腳來進(jìn)行數(shù)據(jù)間的通信,分別是:SCLK、/SS、MOSI。W5100的SPI_EN引腳選擇SPI操作。

        4 軟件設(shè)計

        本設(shè)計方案采用Quartus II軟件來完成Nios II 的系統(tǒng)綜合、硬件優(yōu)化與適配、編程下載和硬件系統(tǒng)測試。應(yīng)用SOPC Builder軟件來實現(xiàn)Nios II 系統(tǒng)的配置、生成;而Nios II IDE則用于軟件開發(fā)、調(diào)試及運行。本設(shè)計采用SOPC創(chuàng)建了一個32位Nios II軟核,添加了三個模塊分別是CPU模塊、EPCS模塊、SPI以太網(wǎng)驅(qū)動模塊。

        創(chuàng)建SPI模塊過程為:點擊進(jìn)入SOPC BUILDER軟件,如圖2所示,點擊左圖中紅圈處(SPI),點擊后設(shè)置主從模式,我們選擇主??刂品绞剑∕aster),從設(shè)備個數(shù)選擇1, SPI時鐘速率選擇10M,數(shù)據(jù)的位數(shù)選擇8;接著設(shè)置移位的方向,也就是說串行數(shù)據(jù)過來時是最高位先來還是最低位先來,我們選擇MSB first,這樣SPI核就設(shè)置好了[4]。

        圖2

        Nios II IDE則用于軟件開發(fā)、調(diào)試及運行。編寫W5100驅(qū)動程序并進(jìn)行初始化后,W5100就能正常工作了。W5100初始化過程包括基本設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)信息校正,基本設(shè)置主要是對模式寄存器、中斷屏蔽寄存器、重發(fā)時間寄存器、重發(fā)計數(shù)寄存器四個寄存器進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)信息校正主要是對網(wǎng)關(guān)地址寄存器、 本機(jī)物理地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器和本機(jī)IP地址寄存器四個寄存器進(jìn)行地址校正。

        5結(jié)語

        本設(shè)計方案已在實驗室實現(xiàn)了硬件電路的搭建,并且已經(jīng)調(diào)試通過;由于W5100芯片內(nèi)部自帶協(xié)議,使得驅(qū)動程序非常容易實現(xiàn),用網(wǎng)口調(diào)試助手調(diào)試后,可以看到收發(fā)數(shù)據(jù)是一致的,F(xiàn)PGA SOPC硬件電路升級簡單又可剪裁,進(jìn)一步驗證了本設(shè)計方案的有效性和可行性。

        參考文獻(xiàn)

        [1]儲娜姆.基于SOPC嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J],2006.

        [2]W5100數(shù)據(jù)手冊[M].Version.1.1.6.2009-03.

        [3]翁木云.FPGA設(shè)計及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

        [4]張旭東.基于.PCI.接口的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J],2000.

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