張孟新

摘要：目前，基于以太網的組網技術在工業(yè)市場的發(fā)展中處于舉足輕重的位置。因此可以基于IEEE 802.3標準的以太網協(xié)議進行以太網的數(shù)據傳輸方式傳輸標準的網絡業(yè)務和實時數(shù)據。而基于FPGA高性價比、可隨時進行處理器配置的特點，本文通過FPGA的NIOSII核實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議以及以太網MAC協(xié)議，并提供標準GMII接口，通過外接PHY實現(xiàn)網絡連接。

關鍵詞：FPGANIOS П；TCP/IP協(xié)議；以太網MAC

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）07-0069-02

1概述

在Altera FPGA處理器上進行的解決方案和硬件配置的同時，軟件設計工具也能夠提供工程師設計并集成所需要的一切功能。NiosП軟核處理器可以進行以太網堆棧驅動程序的編寫與集成以及實現(xiàn)其他功能。還可以在需要的情況下繼續(xù)配置第二個處理器進行搭配工作，這樣就可以支持更多開發(fā)應用層上面的軟件。這種方案可以提供了在單—硬件上面就能很容易滿足需求的變化。不必花費大量開發(fā)時間與開發(fā)費用來實現(xiàn)當以太網協(xié)議導入軟件堆棧后，在處理器上運行加載，而是利用現(xiàn)成的編程與編譯工具和軟件進行堆棧的處理，幾乎可以支持所有的以太網標準協(xié)議。而且，僅在FPGA的硬件平臺上改動設計時或者進行協(xié)議升級時，就不需要進行對每—新協(xié)議設計新的PCB板了。一塊PCB板能夠集成并支持多種工業(yè)以太網的協(xié)議，從而不但減輕了企業(yè)在開發(fā)時期投入的研發(fā)經費了，而且降低了持久擁有成本。NIOS II中實現(xiàn)的工業(yè)以太網協(xié)議能夠在不同的協(xié)議標準的設計中與FPGA其他系列的器件之間進行移植，所以可以在下一代產品更新使用相同的IP。

2系統(tǒng)實現(xiàn)方案

在本文提到的設計中，NiosП軟核處理器不僅可以支持工業(yè)以太網控制器的網絡協(xié)議的配置和管理，還能運行應用層上面的數(shù)據報協(xié)議（UDP）棧、提供高效精確的時序同步功能，并支持傳輸層上的雙路10/100 PHY收發(fā)器的PHY管理和線路診斷功能。Clycone IV的NIOSП軟核處理器還可實現(xiàn)高層組網功能，終結TCP/IP鏈接。生成樹協(xié)議（STP）和快速生成樹協(xié)議（RSTP）是數(shù)據鏈路層上的管理協(xié)議，它們支持路徑冗余檢測和避免數(shù)據沖突，可防止網絡內出現(xiàn)不需要的環(huán)路（要使工業(yè)以太網絡正常工作，兩個節(jié)點間只能有一條有效路徑）。下圖1為包括軟件和硬件在內的工業(yè)以太網框圖。

3硬件設計

在硬件層面MAC（以太網的接入控制層）上主要作用是完成數(shù)據幀的編碼與解碼、數(shù)據幀的傳輸以及介質的接入控制，以太網的介入控制層一般由收發(fā)模塊、收發(fā)緩存、MAC寄存器等部分構成。CycloneⅣ器件是Altera公司推出具有功耗低，高密度，性能強的特點的高新處理器；是一款支持用戶自定義功能，支持NIOSⅡ系列處理器的低成本的FPGA芯片，芯片提供了大量高密度可現(xiàn)場編程的邏輯單元，滿足工業(yè)儀器的小型化、集成化需求。本設計使用Cyclone IV系列FPGA替代傳統(tǒng)的ASIC芯片，實現(xiàn)千兆以太網M A C功能，設計中調用了Triple Speed Ethernet MegaCore實現(xiàn)MAC模塊的NIOSⅡ設計。選擇10/100/1000 Mb Ethernet MAC和M Ⅱ/GMII接口方式配置實現(xiàn)MAC模塊電路。MAC模塊必須通過介質獨立接口（MII/GMII）與物理層芯片進行數(shù)據傳輸與通信。88E1111可工作在10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s下，在設計的時候采用了4位數(shù)據端口，因此只能采用MII模式（100Mb/s），或者RGMII模式（1000Mb/s），參考官方的DATASHEET后，進行對RGMII編程與開發(fā)，然后將88E1111的配置寄存器里面的數(shù)據用NIOS Ⅱ讀出來，這樣就獲得了正確的配置數(shù)據，然后就將配置數(shù)據用于NIOSⅡ配置給芯片就可以實現(xiàn)工業(yè)以太網的通信。RGMⅡ原理圖連接如下圖2所示。

4軟件部分

軟件部分的主要任務是實現(xiàn)網絡底層設備的驅動、Nichestack TCP/IP協(xié)議移植和應用程序的開發(fā)。Altera公司直接官方提供了HAL系統(tǒng)庫，這是一個底層的運行環(huán)境，提供了訪問Nios П CPU常用的設備驅動程序和組成以太網所需要的組成配置單元，并且NicheStaekt TCP/IP協(xié)議的移植也可在IDE工具上定制軟核時直接配置實現(xiàn)。因此，軟件部分的開發(fā)的大部分工作是建于應用程序的編寫上。應用程序的功能主要是在實現(xiàn)Niche Stackt TCP/IP網絡協(xié)議移植的基礎上，實現(xiàn)初始化系統(tǒng)程序的編譯，傳輸控制數(shù)據的發(fā)送與接收模塊的驅動與時序邏輯的實現(xiàn)。軟件結構體系如圖3所示。

5測試與小結

將工業(yè)接口系統(tǒng)接入到計算機網絡的局域網進行調試，將各模塊進行初始化設置，設置好網絡參數(shù)，設置接口IP為192.168.132，在另一主機上通過PING命令檢測網絡的IP層聯(lián)通性，測試結果為IP層連通，說明接口底層硬件驅動電路和植入到軟核里面的TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)成功。本文基于Cyclone IV系列的FPGA設計實現(xiàn)了工業(yè)以太網接口，利用Qsys和NiosП IDE開發(fā)工具，在FPGA處理器嵌入了以太網接口系統(tǒng)的MAC模塊，并且成功在軟核中植入Nichestack TCP/IP網絡傳輸協(xié)議，把MAC模塊與物理層工業(yè)以太網收發(fā)芯片88E1111相連接構成千兆工業(yè)以太網傳輸接口，實現(xiàn)了工業(yè)以太網控制器的功能。利用較一般控制器少的硬件資源，實現(xiàn)了基于FPGA的NIOSⅡ的工業(yè)以太網接口的設計，滿足在工業(yè)工廠生產中，實現(xiàn)網絡化，儀器設備輕巧化，和器件電路集成化等應用需求，并且采用該技術設計的工業(yè)以太網接口具有很好的優(yōu)越性能和可擴展性，可以直接對現(xiàn)有可利用的硬件資源進行升級實現(xiàn)集成更多功能。