0 引言

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)用到各個領(lǐng)域,。例如在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,，一些小型監(jiān)測設(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埽灰切┰O(shè)備上增加一個網(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Nios II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Stratix IV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)平臺設(shè)計(jì)并且推出了相應(yīng)的軟件ISE 11,，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，最后動態(tài)顯示以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

1．1 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SPI Flash M25P16作為數(shù)據(jù)存儲器,，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。

1．2 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,，因此選擇用后者動態(tài)實(shí)時顯示從以太網(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：

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

2．1 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,，最精簡的核只需要400個左右的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,，便于各個外設(shè)和它們之間的信號傳輸及相應(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€PLB主設(shè)備和PLB從設(shè)備連接到整個的PLB系統(tǒng)中,。

(2)高速的本地存儲器總線(LMB)。用來取RAM塊的同步總線,。

(3)XCL總線,。是一個高性能的外部內(nèi)存訪問總線。

(4)FSL總線,。用于點(diǎn)對點(diǎn)的單向通信總線,。

使整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件平臺的搭建,，驅(qū)動程序的配置,，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(Embedded Development Kit)內(nèi)完成,。EDK的整體開發(fā)流程如圖2所示。

整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體操作如下：

(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform 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)動等都可以在BSB(Base System Builder)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Single Processor System系統(tǒng),，Local Memory為16k,，系統(tǒng)時鐘頻率為62．5MHz，定時器和以太網(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、Ethernet MAC,、DDR,、SDRAM控制器等，其間用到的IP驅(qū)動,，都是用xilinx提供IP的自帶默認(rèn)的相應(yīng)驅(qū)動,。

(2)最后XPS自動生成微處理器硬件規(guī)范MHS(Microprocessor Hardware Specification)和描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關(guān)的文件。這些文件都可以手動進(jìn)行修改,，從而是使整個系統(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,。

2．2 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態(tài)顯示,。

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

3．1 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Ethernet MAC IP核,，并作為整個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)程注冊到另一個系統(tǒng)中，并從一個系統(tǒng)復(fù)制文件到另一個系統(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,，使用簡單、方便,，內(nèi)核啟動靜態(tài)創(chuàng)建線程,，而動態(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(Light weight Internet Protocol stack)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Xemacif input thread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tepip thread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)從而減少存儲器利用量和代碼編寫,。

3．2 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,，主進(jìn)程就創(chuàng)建一個套接字,，

并通過bind函數(shù)綁定，用函數(shù)listen進(jìn)行監(jiān)聽,，之后用lwip_accept進(jìn)行接收,，然后用sys_thread_new啟動進(jìn)程，processGet和Process Command函數(shù)分析數(shù)據(jù)包的內(nèi)容并應(yīng)用web serber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,，remote address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．sin port=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。

4 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,，通過建立一個例子加以說明和應(yīng)用這個設(shè)計(jì)平臺，證明了此平臺設(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)時顯示及實(shí)時控制提供了很好的平臺和設(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)時動態(tài)顯示的功能來更好完成數(shù)據(jù)分析研究,。