杜志美，文 豐，張凱華

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

如今信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，通信方式向著數(shù)據(jù)需求量大、實(shí)時(shí)性高、易于組網(wǎng)等方向發(fā)展[1]。集成有TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)芯片W5300以其成本低、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、易于移植且簡(jiǎn)單快捷的實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)通信等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用[2]。開(kāi)發(fā)者只需要對(duì)W5300應(yīng)用層進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，成本較高等缺點(diǎn)，且在實(shí)際應(yīng)用中，其傳輸速率很難突破50Mbps[3-4]。

本研究所提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“FPGA+W5300”組合模式，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定傳輸，而且極大地降低了開(kāi)發(fā)難度、提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)客戶端和一個(gè)服務(wù)器，并在兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)之間建立連接完成數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度要求達(dá)到80 Mbps，并且數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

相比于DSP等控制類(lèi)芯片，F(xiàn)PGA特有的并行處理能力、高速接口設(shè)計(jì)、豐富的I/O接口資源等優(yōu)勢(shì)，使其在高速數(shù)據(jù)處理和邏輯控制等方面具有很高的實(shí)時(shí)性，采用FPGA作為主控芯片，可以使不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)更高速傳輸。為滿足數(shù)據(jù)傳輸速度要求，系統(tǒng)采用“FPGA+W5300”組合模式。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 以太網(wǎng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

FPGA可以根據(jù)W5300地址總線對(duì)寄存器尋址，按照W5300寄存器讀寫(xiě)時(shí)序，通過(guò)數(shù)據(jù)總線配置和讀取相應(yīng)寄存器的值。本系統(tǒng)采用16位數(shù)據(jù)總線模式，所以BIT16EN接高電平，數(shù)據(jù)總線低8位和高8位都需要與FPGA I/O口連接，接收的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA存入Flash。W5300差分輸入和輸出信號(hào)對(duì)與外部接口之間增加對(duì)稱變壓器，保證芯片與外界的隔離與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中系統(tǒng)的可靠性。

W5300硬件接口類(lèi)型與功能描述如表1所示。W5300擁有8個(gè)獨(dú)立并行端口，內(nèi)部集成10BasseT/100BasseT以太網(wǎng)物理層[5]，支持直接和間接地址模式。FPGA通過(guò)直接訪問(wèn)每個(gè)端口的FIFO寄存器，控制端口TX/RX存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入，從而避免了以往采用FPGA直接處理TCP/IP協(xié)議時(shí)的負(fù)荷，極大簡(jiǎn)化了程序的編寫(xiě)，使系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和處理能力得到極大改善。

表1 W5300接口類(lèi)型和功能表

2 W5300軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)FPGA直接操作W5300內(nèi)部寄存器。FPGA代碼在ISE14.7編譯環(huán)境下采用硬件描述語(yǔ)言VHDL編寫(xiě)。并根據(jù)W5300復(fù)位時(shí)序、寄存器讀和寫(xiě)時(shí)序完成FPGA對(duì)W5300的控制。軟件設(shè)計(jì)流程分為W5300初始化、端口連接、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個(gè)模塊。

2.1 W5300初始化

W5300初始化包括外部接口配置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和超時(shí)設(shè)置和端口TX/RX存儲(chǔ)器分配[6]。

W5300采用/RESET硬件復(fù)位，復(fù)位信號(hào)在保持低電平大于2 μs后保持高電平時(shí)間大于10 ms，執(zhí)行復(fù)位。其內(nèi)部鎖相環(huán)將外部25 MHz時(shí)鐘源倍頻后產(chǎn)生150 MHz工作時(shí)鐘，在復(fù)位有效后鎖相環(huán)鎖定時(shí)鐘頻率[7]。

2.1.1外部接口設(shè)置

W5300接口設(shè)置包括模式寄存器配置和中斷配置。

采用直接地址模式(IND=0)，可將模式寄存器、通用寄存器和端口寄存器映射到內(nèi)部存儲(chǔ)空間，控制器通過(guò)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)映射地址來(lái)直接訪問(wèn)相關(guān)寄存器[8]，間接地址模式則相反。FPGA在訪問(wèn)W5300內(nèi)部寄存器時(shí)，寄存器地址從系統(tǒng)基地址開(kāi)始以2字節(jié)遞增方式連續(xù)映射在內(nèi)部存儲(chǔ)器空間。寄存器地址采用大端模式，即寄存器地址的低字節(jié)存儲(chǔ)在實(shí)際物理地址的高字節(jié)。W5300寄存器實(shí)際物理地址為“存儲(chǔ)器空間基地址+寄存器偏移量”，其中W5300寄存器的物理基地址為0x08000。

與W5300中斷相關(guān)的寄存器包括中斷寄存器(IR)和中斷屏蔽寄存器。中斷寄存器數(shù)據(jù)位表示當(dāng)前中斷類(lèi)型，產(chǎn)生中斷時(shí)相應(yīng)數(shù)據(jù)位置1，如果中斷屏蔽寄存器(IMR)相應(yīng)位也為1，則中斷請(qǐng)求輸出引腳/INT置0，向FPGA發(fā)出中斷請(qǐng)求，控制器通過(guò)查詢中斷寄存器數(shù)據(jù)位判斷中斷類(lèi)型并處理中斷。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和超時(shí)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間傳輸而不會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸混亂，需要對(duì)W5300進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，包括硬件地址寄存器、網(wǎng)關(guān)IP 地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器和本機(jī)IP 地址寄存器。本系統(tǒng)各參數(shù)如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)配置

TCP是一種可靠數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議。TCP協(xié)議在數(shù)據(jù)通信中經(jīng)過(guò)三次握手驗(yàn)證，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。為避免驗(yàn)證過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間等待，需要進(jìn)行超時(shí)設(shè)置，超時(shí)設(shè)置相關(guān)寄存器包括重復(fù)發(fā)送超時(shí)寄存器(RTR)和重復(fù)發(fā)送計(jì)數(shù)寄存器(RCR)。W5300超時(shí)分為ARP發(fā)送超時(shí)和TCP發(fā)送超時(shí)兩種。以客戶端向服務(wù)器發(fā)送ARP請(qǐng)求為例，流程如圖2所示。

圖2 ARP請(qǐng)求流程圖

同樣客戶端向服務(wù)器發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包后，等待服務(wù)器回應(yīng)ACK響應(yīng)，若客戶端在RTR設(shè)置的時(shí)間后連續(xù)發(fā)送RCR+1次還未收到ACK響應(yīng)，W5300端口狀態(tài)寄存器(Sn_SSR)將變?yōu)镾OCKET_CLOSED，并且數(shù)據(jù)發(fā)送端口中斷寄存器(Sn_IR)相應(yīng)位置1，發(fā)出中斷請(qǐng)求。

2.1.3端口TX/RX存儲(chǔ)器分配

W5300擴(kuò)展了128K通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由16個(gè)8K字節(jié)存儲(chǔ)單元組成[9-10]。這些存儲(chǔ)單元可以由存儲(chǔ)器單元類(lèi)型配置寄存器以8K的倍數(shù)配置為發(fā)送和接收單元，再由存儲(chǔ)器大小配置寄存器分配給每個(gè)端口TX存儲(chǔ)器和RX存儲(chǔ)器。

2.2 W5300端口連接

W5300初始化完成后，需要依據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)端口進(jìn)行配置并連接。W5300具有8個(gè)獨(dú)立端口，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。以客戶端SOCKET1為例，端口配置和連接流程如圖3所示。

W5300有4個(gè)緩沖區(qū)監(jiān)視外接引腳BRDY[3:0]，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SOCKETn數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。本系統(tǒng)配置了BRDY0和BRDY1分別對(duì)SOCKET1 TX/RX存儲(chǔ)器監(jiān)測(cè)。在TCP客戶端模式下，客戶端必須在執(zhí)行連接命令之前配置目標(biāo)地址。而服務(wù)器則在端口建立連接后，S1_DIPR和S1_PORTR自動(dòng)設(shè)置為T(mén)CP客戶端IP地址和端口號(hào)。端口模式寄存器S1_MR決定了端口通信方式，S1_MR功能描述如表3所示。

在TCP模式下，收到的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)為偶數(shù)時(shí)隊(duì)列對(duì)齊數(shù)據(jù)位“ALIGN=1”，此時(shí)刪除數(shù)據(jù)包中的PACKET-INFO，可以極大提高數(shù)據(jù)讀取速度。為了使W5300只接收指定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，需要將MF位置1。而ND/IGMPv置1時(shí)，端口在收到對(duì)端發(fā)送的數(shù)據(jù)包后立刻發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包響應(yīng)，可以提高TCP通信性能。P0～P3即配置端口通信協(xié)議(TCP、UDP、IPRAW等)或PPPoE SOCKET與PPPoE服務(wù)器之間的操作，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)項(xiàng)目需求自行選擇。

圖3 端口連接流程圖

表3 S1_MR功能表

2.3 W5300數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

在對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300初始化和端口設(shè)置并連接成功后，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先客戶端主動(dòng)發(fā)送連接請(qǐng)求數(shù)據(jù)包SYN；服務(wù)器則執(zhí)行偵聽(tīng)命令，等待客戶端連接。圖4以本系統(tǒng)中SOCKET1為例介紹W5300數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程。

在TCP模式下，當(dāng)ALIGN=1時(shí)，RX接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)只含有有效數(shù)據(jù)，主機(jī)可以從S1_RX_RSR寄存器直接獲取RX的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度；否則數(shù)據(jù)包由2Bytes的PACKET-INFO和有效數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)包信息包含在PACKET-INFO內(nèi)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度保存在S1_RX_FIFOR寄存器中讀取[11]。數(shù)據(jù)以包為單位讀取，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度作為數(shù)據(jù)讀取循環(huán)控制量。當(dāng)數(shù)據(jù)包字節(jié)長(zhǎng)度為奇數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)為啞字節(jié)，需要直接丟棄。

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，端口中斷寄存器S1_IR(4)自動(dòng)置1，并需要通過(guò)FPGA向W5300S1_IR(4)寫(xiě)1以清除中斷標(biāo)志位。

圖4 W5300數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)中，采用了TCP/IP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了客戶端和服務(wù)器兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。端口連接成功后，首先由客戶端向服務(wù)器發(fā)送打包后的遞增數(shù)，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后保存到Flash，再由測(cè)試臺(tái)通過(guò)PXI總線傳輸?shù)诫娔X保存，并通過(guò)上位機(jī)軟件分解校驗(yàn)。接收數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖5，本系統(tǒng)控制器采用60 M時(shí)鐘頻率，11個(gè)時(shí)鐘周期接收2 Byte數(shù)據(jù)，理論傳輸速度為87.27 Mbps。數(shù)據(jù)和校驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，結(jié)果無(wú)誤碼，無(wú)丟幀。

圖5 接收數(shù)據(jù)時(shí)序圖

圖6 上位機(jī)軟件報(bào)告和數(shù)據(jù)

此次測(cè)試共發(fā)送 5 150 437個(gè)數(shù)據(jù)包，其中1KB數(shù)據(jù)為一包。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送和數(shù)據(jù)發(fā)送停止時(shí)間可以算出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度。在進(jìn)行多次大量測(cè)試后，均無(wú)誤碼和丟幀現(xiàn)象出現(xiàn)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸速度可以達(dá)到85.79 Mbps，與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符。

4 結(jié)論

提出了采用“主控制器FPGA+網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300”組成的網(wǎng)路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，重點(diǎn)描述了W5300的寄存器配置流程。實(shí)踐證明系統(tǒng)軟件編寫(xiě)容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)不同設(shè)備之間零誤碼傳輸，且速度達(dá)80 Mbps以上。該系統(tǒng)已經(jīng)在高速數(shù)據(jù)圖像傳輸工程中得到應(yīng)用。