SOPC技術(shù)在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]隨著工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)在控制領(lǐng)域越來越得到重視。本文針對傳統(tǒng)微處理器平臺中存在的接口速率瓶頸問題，提出采用基于SOPC技術(shù)的NIOS處理器來解決這個問題，實驗證明該控制器在工業(yè)以太網(wǎng)中具有很好的應(yīng)用價值。
1 引言
隨著以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來越多的滲入到了工業(yè)控制領(lǐng)域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)有大量文獻報道。
以上這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況，因為芯片設(shè)計公司并不完全熟悉工業(yè)以太網(wǎng)的需要。因此在實際應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發(fā)系統(tǒng)往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。SOPC技術(shù)能解決這個難題。
2 SOPC技術(shù)
可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。
2.1 SOPC
SOPC 結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù)、以 PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如:邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內(nèi)實時調(diào)試工具;而在應(yīng)對復(fù)雜設(shè)計方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的強大輔助工具。
2.2 NIOS
NIOS 是Altera公司以RISC為基礎(chǔ)的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數(shù)據(jù)通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的多種應(yīng)用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實現(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng)。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內(nèi)部存儲器大小，其最高執(zhí)行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價、便捷的開發(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（包括設(shè)計、調(diào)試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發(fā)設(shè)備的成本。
NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡化了電路板設(shè)計，又不存在接口速率的瓶頸問題，使整個系統(tǒng)在一塊芯片上就可以完成。
3 硬件設(shè)計
控制器的硬件設(shè)計流程就是為了定制合適的CPU和外設(shè)，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設(shè)。
嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設(shè)計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲器Boot ROM、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內(nèi)部定時器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統(tǒng)正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。
圖1 SOPC工業(yè)以太網(wǎng)控制器硬件結(jié)構(gòu)
4 軟件設(shè)計
完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應(yīng)的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的，存儲器、外設(shè)地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應(yīng)是專有的，SOPC Builder能夠自動生成SDK。
在生成的SDK基礎(chǔ)之上，進入軟件開發(fā)流程，在這個部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于，嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。 [!--empirenews.page--]
控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)。
uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。
在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標(biāo)準的Linux基礎(chǔ)上進行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準豐富的API等。在開發(fā)應(yīng)用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。
特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實時領(lǐng)域，本文進一步增強uClinux的實時性。
整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點:
控制器具有很高的靈活性。這是本文設(shè)計的以太網(wǎng)控制器的最大特點。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)配，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求。
控制器具有很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實時性。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
5 實際應(yīng)用
針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，將該型控制器應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
而解決網(wǎng)絡(luò)的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過交換式以太網(wǎng)交換機來通信。
每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機構(gòu)。如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點:
圖2 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
（1） 靈活性。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源，克服了接口數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術(shù)，系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試都十分方便。
（2） 可靠性?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用環(huán)形架構(gòu)，大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層，通過劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險;而在控制區(qū)域內(nèi)部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，集中控制整個控制區(qū)域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。
（3） 實時性。通過劃分控制區(qū)域，各個控制區(qū)域通過交換機連入骨干網(wǎng)，而每個控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負載可以降到很低的程度（<5％）。提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計均考慮了實時性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進一步提升了系統(tǒng)的實時性。
6 結(jié)論
本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，應(yīng)用實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
隨著以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來越多的滲入到了工業(yè)控制領(lǐng)域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)有大量文獻報道。
以上這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況，因為芯片設(shè)計公司并不完全熟悉工業(yè)以太網(wǎng)的需要。因此在實際應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發(fā)系統(tǒng)往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。SOPC技術(shù)能解決這個難題。
2 SOPC技術(shù)
可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。
2.1 SOPC
SOPC 結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù)、以 PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如:邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內(nèi)實時調(diào)試工具;而在應(yīng)對復(fù)雜設(shè)計方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的強大輔助工具。
2.2 NIOS
NIOS 是Altera公司以RISC為基礎(chǔ)的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數(shù)據(jù)通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的多種應(yīng)用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實現(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng)。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內(nèi)部存儲器大小，其最高執(zhí)行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價、便捷的開發(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（包括設(shè)計、調(diào)試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發(fā)設(shè)備的成本。
NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡化了電路板設(shè)計，又不存在接口速率的瓶頸問題，使整個系統(tǒng)在一塊芯片上就可以完成。
3 硬件設(shè)計
控制器的硬件設(shè)計流程就是為了定制合適的CPU和外設(shè)，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設(shè)。
嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設(shè)計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲器Boot ROM、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內(nèi)部定時器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統(tǒng)正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。
圖1 SOPC工業(yè)以太網(wǎng)控制器硬件結(jié)構(gòu)
4 軟件設(shè)計
完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應(yīng)的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的，存儲器、外設(shè)地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應(yīng)是專有的，SOPC Builder能夠自動生成SDK。
在生成的SDK基礎(chǔ)之上，進入軟件開發(fā)流程，在這個部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于，嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。 [!--empirenews.page--]
控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)。
uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。
在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標(biāo)準的Linux基礎(chǔ)上進行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準豐富的API等。在開發(fā)應(yīng)用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。
特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實時領(lǐng)域，本文進一步增強uClinux的實時性。
整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點:
控制器具有很高的靈活性。這是本文設(shè)計的以太網(wǎng)控制器的最大特點。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)配，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求。
控制器具有很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實時性。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
5 實際應(yīng)用
針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，將該型控制器應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
而解決網(wǎng)絡(luò)的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過交換式以太網(wǎng)交換機來通信。
每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機構(gòu)。如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點:
圖2 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
（1） 靈活性。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源，克服了接口數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術(shù)，系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試都十分方便。
（2） 可靠性?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用環(huán)形架構(gòu)，大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層，通過劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險;而在控制區(qū)域內(nèi)部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，集中控制整個控制區(qū)域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。
（3） 實時性。通過劃分控制區(qū)域，各個控制區(qū)域通過交換機連入骨干網(wǎng)，而每個控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負載可以降到很低的程度（<5％）。提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計均考慮了實時性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進一步提升了系統(tǒng)的實時性。
6 結(jié)論
本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，應(yīng)用實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
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