近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)化日加普遍,，以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。例如在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,，一些 小型監(jiān)測(cè)設(shè)備需要增加網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，只要那些設(shè)備上增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口并實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議，就可以方便地接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中,，完成遠(yuǎn)程 傳輸數(shù)據(jù)的相關(guān)功能,，所以小型設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。另一方面,，隨著單片FPGA的邏輯門數(shù)不斷增大,，人們開始考慮將整個(gè)嵌入式系統(tǒng)集成到 單片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)，于是2001年Altera第一次提出了可編程片上系統(tǒng)(SOPC)概念,，并且推出了第一款嵌入式處理器軟核Nios以及之后的第二 代NiosII以及相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境,，此后Xilinx也推出了MicroBlaze微處理器軟核，之后,，隨著Altera的CycloneIII和 StraTIxIV以及Xilinx的Spartan6和Virtex6等一系列大容量FPGA的推出,，Xilinx于2009年正式提出了目標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì) 并且推出了相應(yīng)的軟件ISE11，至此,，嵌入式系統(tǒng)真正開始走向了片上系統(tǒng),，自然，這中間也包括了以太網(wǎng)的嵌入式片上系統(tǒng),。
 

　　Matlab是美國(guó)MathWorks 公司提供的商業(yè)數(shù)學(xué)仿真軟件,，其中Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于框圖的設(shè)計(jì)環(huán)境,，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的仿真和處理,，它提供 了一種快速,、直接明了的方式，用戶可以實(shí)時(shí)看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果并且進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,?；谝陨鲜聦?shí)，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太網(wǎng)與 Matlab通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究,，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微處理器軟核,，利用它和相應(yīng)外設(shè)IP核一起完成SOPC的設(shè)計(jì)并且 完成與Simulink數(shù)據(jù)的傳輸，最后動(dòng)態(tài)顯示以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),。
  

　　系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
  

　　1、系統(tǒng)總體硬件的結(jié)構(gòu)
 

　 　在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中,，考慮到系統(tǒng)復(fù)雜度和成本因素,，我們選用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作為主控制芯片，該芯片為 Xilinx的Spartan系列的低端FPGA,，采用了65nm技術(shù),，在集成度和性價(jià)比上都要優(yōu)于先前Spartan系列的FPGA，系統(tǒng)外掛一塊 Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作為外擴(kuò)SDRAM,，以及一片Numonyx公司的16Mb的 SPIFlashM25P16作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，而10/100Mb以太網(wǎng)我們采用單片PHY芯片加Xilinx的MAC軟核來實(shí)現(xiàn)。該方案將物理層和 MAC分開,，將MAC用IP來實(shí)現(xiàn),，從而整個(gè)系統(tǒng)更加靈活。其中單片PHY芯片有BroADCom公司的BCM5221,，Intel公司的 LXT971A,、LXT972A，SMSC公司的DM9000,、LAN83C185等,。這里我們采用SMSC公司的LAN83C185來實(shí)現(xiàn)物理層。
  

　　2,、系統(tǒng)整體框圖
  

　 　雖然Matlab中可以采用相關(guān)命令創(chuàng)建一個(gè)TCP/IP的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和顯示,，但是與Simulink中TC/IP模塊相比較為繁鎖，因此選擇 用后者動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示從以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù),，并可進(jìn)行相應(yīng)的處理,。本設(shè)計(jì)主要是完成發(fā)送正弦函數(shù)數(shù)據(jù)并在Simulink的接收模塊中顯示正弦函數(shù)圖形。 系統(tǒng)的整體的框圖如圖l所示：
  

　　MicroBlaze的系統(tǒng)硬件配置和Simulink接收塊的搭建
  

　　1,、MicroBlaze和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  

　 　Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式軟核是業(yè)界優(yōu)秀的32位軟處理器IP核之一,，它支持CroConnect總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)集合，具有兼容性和 重復(fù)利用性,，最精簡(jiǎn)的核只需要400個(gè)左右的Slice,，MicroBlaze軟核內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線,，便于各個(gè)外設(shè)和它們之間的信 號(hào)傳輸及相應(yīng)的控制，它有下面的幾種互聯(lián)總線：
  

　　(1)處理器本地總線(PLB),?？梢詫⒍鄠€(gè)PLB主設(shè)備和PLB從設(shè)備連接到整個(gè)的PLB系統(tǒng)中。
  

　　(2)高速的本地存儲(chǔ)器總線(LMB),。用來取RAM塊的同步總線,。
  

　　(3)XCL總線。是一個(gè)高性能的外部?jī)?nèi)存訪問總線,。
  

　　(4)FSL總線,。用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向通信總線。
  

　 　使整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),，包括系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建,，驅(qū)動(dòng)程序的配置，Xilkernel操作系統(tǒng)內(nèi)的核參數(shù)配置,，軟件庫的設(shè)置,，文件系統(tǒng)的生成及外設(shè)控 制芯片接口配置都可以在EDK(EmbeddedDevelopmentKit)內(nèi)完成。EDK的整體開發(fā)流程如圖2所示,。

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體操作如下：

　　(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(XilinxPlatform.Studio)中,，處理器功能單 元，系統(tǒng)外圍總線結(jié)構(gòu),，終端外設(shè)以及相應(yīng)的地址映射和默認(rèn)的驅(qū)動(dòng)等都可以在BSB(BaseSystemBuilder)中完成,。在Microblaze 系統(tǒng)的基本構(gòu)建中其主要設(shè)置如下：使用SingleProcessorSystem系統(tǒng)，LocalMemory為16k,，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 62.5MHz,，定時(shí)器和以太網(wǎng)中斷必須連接到處理器的中斷控制器上，另外,，本設(shè)計(jì)還用到的GIOP,、EthernetMAC、DDR,、SDRAM控制器 等,，其間用到的IP驅(qū)動(dòng)，都是用xilinx提供IP的自帶默認(rèn)的相應(yīng)驅(qū)動(dòng),。
  

　　(2)最后XPS自動(dòng)生成微處理器硬件 規(guī)范MHS(MicroprocessorHardwareSpecificaTIon)和描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro- processorSoftwareSpecification)文件以及一些相關(guān)的文件,。這些文件都可以手動(dòng)進(jìn)行修改，從而是使整個(gè)系統(tǒng)更加的優(yōu)化,。
  

　　(3)生成的系統(tǒng)最后生成bit文件,，把其文件下載到目標(biāo)板子上。
  

　　2,、Simulink接收模塊的搭建
  

　 　Simulink中TCP/IP中的接收模塊,，其終端的地址,，端口的設(shè)置要與FPGA上的以太網(wǎng)的IP地址、端口的設(shè)置一致,，這就為TCP/IP接收模 塊指定了要通信的地址即完成了接收模塊TCP/IP的相關(guān)配置,，也就完成了FPGA與Matlab中以太網(wǎng)通信的接收模塊的搭建，在Simulink中,， 具體的模塊設(shè)計(jì)如圖3所示,。
  

　　通信數(shù)據(jù)通過此模塊可以較直觀地用圖形動(dòng)態(tài)顯示。
  

　　系統(tǒng)的軟件平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
  

　　1,、軟件內(nèi)核和協(xié)議
  

　 　本設(shè)計(jì)主要選擇了Xilinx公司的精簡(jiǎn)嵌入式操作系統(tǒng)Xilkemel,，它是Xilinx提供的用于EDK系統(tǒng)的小型、模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核,， 它支持Microblaze核,，與EDK形成的硬件系統(tǒng)無縫連接，具有可定制,、CPU資源占用較小、運(yùn)行速度快等特點(diǎn),，是MicroBlaze嵌入式軟核 的理想操作系統(tǒng),，其整體的開發(fā)流程如圖4所示。
  

　　網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議我們采用TCP/IP協(xié)議,，該通訊協(xié)議采用四層(應(yīng)用層,、傳輸層、互連網(wǎng)絡(luò)層,、網(wǎng)絡(luò)接口層)層級(jí)結(jié)構(gòu),，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求，系統(tǒng)分為兩部分實(shí)現(xiàn)：
  

　　第一部分為物理層和MAC層,，本設(shè)計(jì)中用LAN83C185來實(shí)現(xiàn)物理層,，MAC層由Xilinx公司的EthernetMACIP核，并作為整個(gè)MicroBlaze系統(tǒng)硬件的一部分在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn),。
  

　 　第二部分是運(yùn)輸層和網(wǎng)際層,，主要由軟件代碼實(shí)現(xiàn)。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信軟件允許用戶遠(yuǎn)程注冊(cè)到另一個(gè)系統(tǒng)中,，并從一個(gè)系統(tǒng)復(fù)制文件到另一個(gè)系統(tǒng),，雖然 Xilkernel本身不帶有文件處理系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧，但它與Xilinx公司的LwIP庫具有良好的接口,，加上系統(tǒng)支持庫LibXilMFS 可形成一個(gè)比較完整的嵌入式系統(tǒng),，其特點(diǎn)是內(nèi)核配置功能都已集成到EDK工具中，使用簡(jiǎn)單,、方便,，內(nèi)核啟動(dòng)靜態(tài)創(chuàng)建線程,，而動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，可加載或卸載不 同功能模塊來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核的高擴(kuò)展性,。
  

　 　本設(shè)計(jì)主要采用LwIP3.OOb(LightweightInternetProtocolstack)協(xié)議模塊套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼 TCP/IP協(xié)議棧中,，LwI-P3.00b提供二種API模式：Socket模式和RWA模式，由于Socket模式開發(fā)難度不大,，只要啟動(dòng) Xemacifinputthread線程,，從中斷響應(yīng)的過程中接收數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)移到LwlP的tepipthread中就可以。所以基于方便考慮我們決定 上層協(xié)議部分協(xié)議模塊采用Socket模式,，因此需在MSS文件里對(duì)LwIP進(jìn)行例化(包括相應(yīng)的LwIP參數(shù)設(shè)置)從而減少存儲(chǔ)器利用量和代碼編寫,。
  

　　2、網(wǎng)絡(luò)通信程序的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)
  

　　網(wǎng)絡(luò)通信程序主要完成從超極終端發(fā)送數(shù)據(jù),，傳到Simulink中的ICP/IP接收模塊,。下面是主要的網(wǎng)絡(luò)通信程序：
  

　　Server_thread()函數(shù)是Xilkernel的第一個(gè)線程，初始化LwIP協(xié)議棧,。
  

　　ServerAppThread()函數(shù)可完成MAC,、IP、掩碼以及網(wǎng)關(guān)的配置,，并完成Socket應(yīng)用,。
  

　　以太網(wǎng)的配置如下：
  

　　當(dāng)服務(wù)器程序開始運(yùn)行時(shí)，主進(jìn)程就創(chuàng)建一個(gè)套接字,，
  

　　并通過bind函數(shù)綁定,，用函數(shù)listen進(jìn)行*，之后用lwip_accept進(jìn)行接收,，然后用 sys_thread_new啟動(dòng)進(jìn)程,，processGet和ProcessCommand函數(shù)分析數(shù)據(jù)包的內(nèi)容并應(yīng)用webserber定義的相關(guān)的 命令實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用，write函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送,，完成Socket服務(wù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端,。
  

　　Simulink中用TCP/IP模 塊，remoteaddress參數(shù)設(shè)定為(211,、80,、192、237),，端口設(shè)定為80,，即與 IP4_ADDR(＆ipaddr，211,，80,，l92，237)和address.sinport="htons"(80)設(shè)為一致，這樣就保證了接 收與發(fā)送網(wǎng)絡(luò)地址和端口的一致性,，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蓪?shí)現(xiàn)性,。設(shè)計(jì)發(fā)送的數(shù)據(jù)為：t=0：0.25：10，Y=sin(2*pi/10*t),，數(shù)據(jù)列表如 下：
  

　　對(duì)應(yīng)的Simulink接收模塊的數(shù)據(jù)圖形顯示如圖5所示,。
  

　　由圖5我們可以看出，接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)基本一致,。
  

　　結(jié)論
  

　 　本文研究了TCP/IP通信協(xié)議在Xilinx公司FPGA上的實(shí)現(xiàn),，介紹了其軟硬件的系統(tǒng)組成及原理，通過建立一個(gè)例子加以說明和應(yīng)用這個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái),， 證明了此平臺(tái)設(shè)計(jì)可行性,，并且完成了FPGA與Matlab的通信，為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及實(shí)時(shí)控制提供了很好的平臺(tái)和設(shè)計(jì)方法,，本設(shè)計(jì)也完成了CPU軟核設(shè) 計(jì)的實(shí)現(xiàn),，其功能可根據(jù)需要進(jìn)行定制，非常靈活,，不但引入了軟核處理器和嵌入式操作系統(tǒng)Xilkernel,，而且應(yīng)用了Lw-IP_300b棧，使用大量 的IP核,，這樣大大降低了系統(tǒng)平臺(tái)的復(fù)雜度,，縮短了開發(fā)的周期，其軟硬件部分的設(shè)計(jì)分離的設(shè)計(jì)架構(gòu),，使得整個(gè)系統(tǒng)修改和重構(gòu)更加方便,，真正實(shí)現(xiàn)了所謂的片 上系統(tǒng),。而本設(shè)計(jì)采用Matlab接收數(shù)據(jù),，并且可利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理,、仿真,、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的功能來更好完成數(shù)據(jù)分析研究。