O 引言

　　近年來,，隨著信息技術的發(fā)展，網絡化日加普遍,，以太網被廣泛應用到各個領域,。例如在數據采集領域,，一些小型監(jiān)測設備需要增加網絡實現遠程數據傳輸的功能，只要那些設備上增加一個網絡接口并實現了TCP／IP協議,，就可以方便地接入到現有的網絡中,，完成遠程傳輸數據的相關功能，所以小型設備的網絡技術一直是大家關注的焦點,。另一方面,，隨著單片FPGA的邏輯門數不斷增大，人們開始考慮將整個嵌入式系統集成到單片FPGA來實現,，于是2001年 Altera第一次提出了可編程片上系統(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年正式提出了目標平臺設計并且推出了相應的軟件ISE 11,，至此,，嵌入式系統真正開始走向了片上系統，自然,，這中間也包括了以太網的嵌入式片上系統,。

　　Matlab" title="Matlab">Matlab是美國MathWorks公司提供的商業(yè)數學仿真軟件，其中Simulink" title="Simulink">Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具,，是一種基于框圖的設計環(huán)境,，可以實現數據的仿真和處理，它提供了一種快速,、直接明了的方式,，用戶可以實時看到系統的仿真結果并且進行相應的數據處理?；谝陨鲜聦?，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太網與Matlab通信系統的設計和研究，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微處理器軟核,，利用它和相應外設IP核一起完成SOPC的設計并且完成與Simulink數據的傳輸,，最后動態(tài)顯示以太網傳輸的數據。

　　1 系統硬件平臺設計

　　1．1 系統總體硬件的結構

　　在系統硬件結構中,，考慮到系統復雜度和成本因素,，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,，在集成度和性價比上都要優(yōu)于先前Spartan系列的FPGA，系統外掛一塊 Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作為外擴SDRAM,，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作為數據存儲器,，而10／100Mb以太網我們采用單片PHY芯片加Xilinx的MAC軟核來實現,。該方案將物理層和MAC分開，將MAC 用IP來實現,，從而整個系統更加靈活,。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來實現物理層,。

　　1．2 系統整體框圖

　　雖然Matlab中可以采用相關命令創(chuàng)建一個TCP／IP的模塊進行數據的接收和顯示，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)實時顯示從以太網發(fā)送過來的數據,，并可進行相應的處理。本設計主要是完成發(fā)送正弦函數數據并在Simulink的接收模塊中顯示正弦函數圖形,。系統的整體的框圖如圖l所示：

　　2 MicroBlaze的系統硬件配置和Simulink接收塊的搭建

　　2．1 MicroBlaze和系統設計

　　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總線標準設計集合，具有兼容性和重復利用性,，最精簡的核只需要400個左右的Slice,，MicroBlaze軟核內部采用哈佛結構的32位指令和數據總線，便于各個外設和它們之間的信號傳輸及相應的控制,，它有下面的幾種互聯總線：

　　(1)處理器本地總線(PLB),。可以將多個PLB主設備和PLB從設備連接到整個的PLB系統中,。

　　(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存訪問總線。

　　(4)FSL總線,。用于點對點的單向通信總線,。使整個系統的軟硬件設計，包括系統硬件平臺的搭建,，驅動程序的配置,，Xilkernel操作系統內的核參數配置，軟件庫的設置,，文件系統的生成及外設控制芯片接口配置都可以在EDK(Embedded Development Kit)內完成,。EDK的整體開發(fā)流程如圖2所示。

　　整個系統設計具體操作如下：

　　(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform. Studio)中,，處理器功能單元,，系統外圍總線結構,，終端外設以及相應的地址映射和默認的驅動等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系統的基本構建中其主要設置如下：使用Single Processor System系統,，Local Memory為16k,，系統時鐘頻率為62．5MHz，定時器和以太網中斷必須連接到處理器的中斷控制器上,，另外,，本設計還用到的GIOP、 Ethernet MAC,、DDR,、SDRAM控制器等，其間用到的IP驅動,，都是用xilinx提供IP的自帶默認的相應驅動,。

　　(2)最后XPS自動生成微處理器硬件規(guī)范MHS(Microprocessor Hardware SpecificaTIon)和描述軟件系統結構的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關的文件。這些文件都可以手動進行修改,，從而是使整個系統更加的優(yōu)化,。

　　(3)生成的系統最后生成bit文件，把其文件下載到目標板子上,。

　　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，端口的設置要與FPGA上的以太網的IP地址,、端口的設置一致,，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的相關配置，也就完成了FPGA與Matlab中以太網通信的接收模塊的搭建,，在 Simulink中,，具體的模塊設計如圖3所示。

　　通信數據通過此模塊可以較直觀地用圖形動態(tài)顯示,。

　　3 系統的軟件平臺及網絡協議的實現

　　3．1 軟件內核和協議

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

　　網絡通訊協議我們采用TCP／IP協議，該通訊協議采用四層(應用層、傳輸層,、互連網絡層,、網絡接口層)層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求,，系統分為兩部分實現：

　　第一部分為物理層和MAC層,，本設計中用LAN83C185來實現物理層，MAC層由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核,，并作為整個MicroBlaze系統硬件的一部分在FPGA內實現,。

　　第二部分是運輸層和網際層，主要由軟件代碼實現,。TCP／IP網絡通信軟件允許用戶遠程注冊到另一個系統中,，并從一個系統復制文件到另一個系統，雖然Xilkernel本身不帶有文件處理系統和TCP／IP協議棧,，但它與Xilinx公司的LwIP庫具有良好的接口,，加上系統支持庫 LibXilMFS可形成一個比較完整的嵌入式系統，其特點是內核配置功能都已集成到EDK工具中,，使用簡單,、方便，內核啟動靜態(tài)創(chuàng)建線程,，而動態(tài)分配內存,，可加載或卸載不同功能模塊來實現內核的高擴展性。

　　本設計主要采用LwIP3．OOb(Light weight Internet Protocol stack)協議模塊套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP／IP協議棧中,，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,，從中斷響應的過程中接收數據包并轉移到LwlP的tepip thread中就可以,。所以基于方便考慮我們決定上層協議部分協議模塊采用Socket模式，因此需在MSS文件里對LwIP進行例化(包括相應的 LwIP參數設置)從而減少存儲器利用量和代碼編寫,。

　　3．2 網絡通信程序的實現與設計

　　網絡通信程序主要完成從超極終端發(fā)送數據,，傳到Simulink中的ICP／IP接收模塊。下面是主要的網絡通信程序：

　　Server_thread()函數是Xilkernel的第一個線程,，初始化LwIP協議棧。

　　ServerAppThread()函數可完成MAC,、IP,、掩碼以及網關的配置，并完成Socket應用,。

　　以太網的配置如下：

<-- 2010/7/10 23:03:27-->　當服務器程序開始運行時,，主進程就創(chuàng)建一個套接字，

　　并通過bind函數綁定，用函數listen進行*,，之后用lwip_accept進行接收,，然后用sys_thread_new啟動進程，processGet和Process Command函數分析數據包的內容并應用web serber定義的相關的命令實現相關的應用,，write函數實現數據的發(fā)送,，完成Socket服務并把數據發(fā)送給客戶端。

　　Simulink中用TCP／IP模塊,，remote address參數設定為(211,、80、192,、237),，端口設定為80，即與IP4_ADDR(＆ipaddr,，211,，80，l92,，237)和 address．sin port="htons"(80)設為一致,，這樣就保證了接收與發(fā)送網絡地址和端口的一致性，保證數據傳輸的可實現性,。設計發(fā)送的數據為：t=0：0．25：10,，Y=sin(2*pi／10*t)，數據列表如下：

　　對應的Simulink接收模塊的數據圖形顯示如圖5所示,。

　　由圖5我們可以看出,，接收到的數據和發(fā)送的數據基本一致。

　　4 結論

　　本文研究了TCP／IP通信協議在Xilinx公司FPGA上的實現,，介紹了其軟硬件的系統組成及原理,，通過建立一個例子加以說明和應用這個設計平臺，證明了此平臺設計可行性,，并且完成了FPGA與Matlab的通信,，為數據的實時顯示及實時控制提供了很好的平臺和設計方法，本設計也完成了 CPU軟核設計的實現,，其功能可根據需要進行定制,，非常靈活，不但引入了軟核處理器和嵌入式操作系統Xilkernel,，而且應用了Lw-IP_300b 棧,，使用大量的IP核，這樣大大降低了系統平臺的復雜度,，縮短了開發(fā)的周期,，其軟硬件部分的設計分離的設計架構，使得整個系統修改和重構更加方便，真正實現了所謂的片上系統,。而本設計采用Matlab接收數據,，并且可利用其強大的數據采集、處理,、仿真,、實時動態(tài)顯示的功能來更好完成數據分析研究。