基于FPGA 的工業(yè)以太網(wǎng)靈活解決方案

摘要：隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備制造商們?yōu)槭棺约旱漠a(chǎn)品更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 都在尋找一種具有高性價(jià)比的解決方案。本文提出了使用FPGA 傳送工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的 設(shè)計(jì)方法，這種解決方案的靈活性在于只需用一個(gè)電路板就能實(shí)現(xiàn)傳送不同的工業(yè)以太 網(wǎng)協(xié)議，并且具有開發(fā)成本低、使用周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。本文還介紹了基于FPGA 的工業(yè)以 太網(wǎng)的硬件IP 開發(fā)的流程以及使用LwIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)其軟件IP 功能。

1 引言

現(xiàn)在有很多以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)通信協(xié)議，并都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，其中有些協(xié)議是開 源的，這讓開發(fā)者可以設(shè)計(jì)出自己的協(xié)議。這也意味著這些開源的協(xié)議在工業(yè)上將更加受到 歡迎，應(yīng)用也更加廣泛?，F(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的協(xié)議，而且協(xié)議的發(fā)展影響著以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的變化， 這就要求能夠支持多種協(xié)議的設(shè)計(jì)方法。本文主要提出使用FPGA 來(lái)盡可能支持較多的工業(yè) 以太網(wǎng)協(xié)議并能支持新協(xié)議的加入和系統(tǒng)改進(jìn)。

2 基于FPGA 的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案

支持多種協(xié)議的一般的方法可以通過(guò)針對(duì)每一種協(xié)議都設(shè)計(jì)一塊板卡，在需要時(shí)互相替 換來(lái)實(shí)現(xiàn)。但隨著市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的增加和發(fā)展，則需要設(shè)計(jì)出一種性價(jià)比高而且還能快速支持 新協(xié)議的解決方法。 隨著以太網(wǎng)的不斷變化，需要開發(fā)設(shè)計(jì)新的電路板，這就會(huì)使得成本加大，而且實(shí)現(xiàn)的 慢。然而，通過(guò)使用帶有FPGA 的工業(yè)以太網(wǎng)接口就可以解決以上的問(wèn)題，使用FPGA 最主要 的好處在于它容易重新配置。

在任何時(shí)候只需要構(gòu)造一個(gè)電路板和能支持任一種工業(yè)以太網(wǎng) 協(xié)議的硬件程序。如果要使用不同的協(xié)議或是用戶改變執(zhí)行命令，只需花費(fèi)幾秒鐘根據(jù)具體 需要改寫FPGA 的配置文件。這種多協(xié)議方法大大降低了開發(fā)成本，減小編碼量[1]。

FPGA 與以太網(wǎng)收發(fā)器(通常為PHY)結(jié)合使用時(shí)，它可以完成所有以太網(wǎng)接口的功能。 PHY 和電路板中的物理層接口，數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)硬件功能可由FPGA 硬件配置程序來(lái)實(shí)現(xiàn)； 再往上層(3 層以上)的功能是由運(yùn)行在FPGA 邏輯電路配置的核心處理器上的軟件實(shí)現(xiàn)的。

FPGA 邏輯電路是可編程的，I/O 管腳支持多種協(xié)議，現(xiàn)有的IP 接口應(yīng)用廣泛，所以在現(xiàn)有 的應(yīng)用處理器和FPGA 之間很容易實(shí)現(xiàn)通信信道。一般現(xiàn)有的處理器接口(如I2C,SPI,其他 一些本地并行總線)或系統(tǒng)(PCI，PCI Express，CANopen 等)都可以與FPGA 通信。

由于FPGA 硬件是可編程的，如果想把應(yīng)用程序封裝到FPGA 中，那么可以設(shè)計(jì)含有多個(gè) 微處理器軟核。這樣做的好處在于它可以減少組件數(shù)量，降低成本和功率消耗。此外，完全 基于IP 設(shè)計(jì)易于移植到新設(shè)備上，而且FPGA 的使用周期長(zhǎng)，所以這種設(shè)計(jì)不會(huì)很快被淘汰。

對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)FPGA 也可以有hub 或可以增強(qiáng)以太網(wǎng)通信的相似的硬件。 FPGA 不僅可以實(shí)現(xiàn)處理器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)靈活多變的接口設(shè)計(jì)，比如 簡(jiǎn)單的通信接口(如UARTS，并行I/O 等)，支持新的存儲(chǔ)器的復(fù)雜接口(如DRR2/3 等)。以 及新的通信技術(shù)(如Bluetooth，Gigabit Ethernet，PCI Express 等)構(gòu)造基于FPGA 的硬件 設(shè)計(jì)。

3 構(gòu)造基于FPGA 的硬件IP 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)處理器和以太網(wǎng) MAC 硬件看起來(lái)很難，但實(shí)際上，SOPC Builder 提供了處理器和 以太網(wǎng)MAC 的IP 核，這就變得簡(jiǎn)單多了。Altera’s QuartusⅡ的開發(fā)環(huán)境包含SOPC Builder[2]，SOPC Builder 能快速并自動(dòng)配置、集成和生成基于IP 的系統(tǒng)。

GUI 的截圖(圖2)中左邊列表顯示了可用的IP 核。若想在現(xiàn)使用的系統(tǒng)中加入IP 核， 設(shè)計(jì)者只需雙擊所需的IP 模塊。 選定IP 模塊后，會(huì)出現(xiàn)配置信息，可以選擇相應(yīng)的選項(xiàng)(圖2 右邊)。完成這些后，配 置好的IP 功能塊就會(huì)出現(xiàn)在當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如圖窗口的右邊。該部件的地址和中斷級(jí)別 可以改變，可通過(guò)GUI 修改系統(tǒng)內(nèi)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)改變IP 部件間的連接。處理器能夠快速設(shè) 計(jì)模塊和高度優(yōu)化系統(tǒng)(如圖3)。

圖中窗口下面顯示設(shè)計(jì)的出錯(cuò)信息，因而開發(fā)者可以很容 易的查錯(cuò)糾錯(cuò)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊“generate”后即生成所要求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)生成后，可 作為QuartusⅡ原理圖設(shè)計(jì)編輯器的一個(gè)功能模塊。 如果以后需要修改設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只需打開SOPC Builder 使用GUI 來(lái)修改，再重新生 成系統(tǒng)，然后用QuartusⅡ軟件重新組合，就生成了新的配置文件，這樣在很短的時(shí)間內(nèi)生 成了一個(gè)新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)。

4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

硬件 IP 通常封裝作為SOPC Builder 的一個(gè)部件，它包含了MAC 和其它的所需的邏輯 電路。對(duì)于軟件IP 可在經(jīng)銷商出購(gòu)買，也可以自己通過(guò)移植LwIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。 LwIP 是Light-weight Internet Protocol 的縮寫，即輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。LwIP 是瑞典計(jì)算機(jī) 科學(xué)院的Adam Dunkels 等開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議棧[5]。

LwIP 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是 在保持TCP/IP 協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM 的占用[3]，一般它只需要幾十K Byte 的 RAM 和40K 左右的ROM 就可以運(yùn)行，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在使用和移植的過(guò) 程中可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的不同要求進(jìn)行刪減或增補(bǔ)。 在設(shè)計(jì) LwIP 時(shí)，就要考慮到移植問(wèn)題，把所有和硬件、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)[4]， 放在/src/arch 下面。若要移植，只要修改這個(gè)目錄下的文件即可。

(1)與CPU或編譯器相關(guān)的include 文件。在LwIP/src/arch/include/arch 目錄下，cc.h、cpu.h、 perf.h 中有一些與CPU 或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、字的高低位順序等。這應(yīng)該與用 戶的操作系統(tǒng)定義的參數(shù)一致。通常，C 語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體(struct)是4 字節(jié)對(duì)齊的，但是在處理 數(shù)據(jù)包的時(shí)候，LwIP 是通過(guò)結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以，一定要 在定義struct 的時(shí)候使用_packed 關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct 的字節(jié)對(duì)齊。

LwIP 也考慮到 了這個(gè)問(wèn)題，所以，在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個(gè)PACK_STRUCT_xxx 宏，在移植的時(shí)候添 加編譯器所對(duì)應(yīng)的_packed 關(guān)鍵字。

(2)sys_arch 操作系統(tǒng)相關(guān)部分。sys_arch.c 中的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函 數(shù)，主要可以分為四個(gè)部分： ①sys_sem_t 信號(hào)量。LwIP 中需要使用信號(hào)量進(jìn)行通信，所以在sys_arch 中應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào) 量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)： struct sys_sem_t

sys_sem_new() //創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)

sys_sem_free() //釋放一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)

sys_sem_signal() //發(fā)送信號(hào)量

sys_arch_sem_wait() //請(qǐng)求信號(hào)量

② sys_mbox_t 消息。LwIP 使用消息隊(duì)列來(lái)緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch 中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)。

sys_mbox_t 以及相應(yīng)的操作函數(shù)：

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_free() //釋放一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_post() //向消息隊(duì)列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊(duì)列中獲取消息

③ sys_arch_timeout 函數(shù)。LwIP 中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout 屬性， 即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線程都對(duì)應(yīng)一個(gè)sys_timeout 結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，它包括這 個(gè)線程的timeout 時(shí)間長(zhǎng)度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout 函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接、 回收資源的工作。Timeout 結(jié)構(gòu)體已經(jīng)在sys.h 中定義好了，而且對(duì)結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作 也由LwIP 負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行狀態(tài)的線程所對(duì)應(yīng)的timeout 隊(duì)列指針。Timeout 隊(duì)列屬于線程的屬性，因此是與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。

④sys_thread_new 創(chuàng)建新線程函數(shù)。LwIP 可以是單線程運(yùn)行，即只有一個(gè)tcpip 線程 （tcpip_thread），負(fù)責(zé)處理所有的TCP 或UDP 連接，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過(guò)tcpip 線程與網(wǎng)絡(luò) 交互。它也可以多線程運(yùn)行，以提高效率。

(3) lib_arch 中庫(kù)函數(shù)。LwIP 用到8 個(gè)外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編 譯器有關(guān)。

u16_t htons(u16_t n)；//16 位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換

u16_t ntons(u16_t n)；

u32_t htonl(u32_t n)；//32 位數(shù)據(jù)大小端對(duì)調(diào)

u32_t ntonl(u32_t n)；

int strlen(const char *str)；

int stmcmp(const char *str1,const char *str2,int len)；

void bcopy(const void *src,void *dest,int len)；

void bzero(void *data,int n)；

5 測(cè)試

將修改后的 LwIP 進(jìn)行測(cè)試，比如移植到μC/OS-II 中。先對(duì)LwIP 進(jìn)行初始化，再創(chuàng)建TCP 或UDP 任務(wù)，然后就可以測(cè)試了，關(guān)鍵部分的代碼和說(shuō)明如下：

main(){

OSInit();

OSTaskCreate(lwip_init_task,&task1_data,&lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1],0);

OSTaskCreate(user_task,&task2_data,&user_stk[TASK_STK_SIZE-1],1);

OSStart();

}

主程序中，創(chuàng)建了lwip_init_task 初始化LwIP 任務(wù)(優(yōu)先級(jí)0)和user_task 用戶任務(wù)(優(yōu)先級(jí)1) 。lwip_init_task 任務(wù)中除了初始化之外， 還創(chuàng)建了tcpip_thread( 優(yōu)先級(jí)3) 和tcpecho_thread(優(yōu)先級(jí)4)，實(shí)際上tcpip_thread 才是LwIP 的主線程，tcpecho_thread 線程也要依靠tcpip_thread 線程來(lái)與外界通信。

編譯運(yùn)行后，用 telnet 命令可以看到回顯結(jié)果，說(shuō)明正確運(yùn)行，LwIP 移植是正確的。

6 結(jié)束語(yǔ)

成本低廉的 FPGA 和微處理器軟核IP 使得工業(yè)以太網(wǎng)具有高性價(jià)比可編程解決方案成 為可能。該方案只需用一個(gè)電路板就能實(shí)現(xiàn)傳送不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，并且具有開發(fā)成本 低、使用周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。由于協(xié)議的發(fā)展，已經(jīng)不同于以往的實(shí)現(xiàn)方法，而且有很多新的協(xié) 議形成，能支持任何工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的靈活可變的且具有成本效益的解決方案顯得越來(lái)越重 要。對(duì)于工業(yè)設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，用FPGA 實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)也是勢(shì)在必行。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：使用FPGA 實(shí)現(xiàn)在一個(gè)電路板上傳送不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的功能， 并能支持加入新的協(xié)議，使用周期長(zhǎng)，具有高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，而且易開發(fā)。

[1].PCIdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[2].ROM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.