基于SoPC的網絡模塊設計與實現

摘要：在Altera公司提供的QuartusⅡ軟件中開發(fā)網絡模塊控制器并在SoPC Builder中將其作為一個獨立的IP核集成到SoPC中，通過軟件驅動控制器實現網絡模塊收發(fā)等操作，發(fā)揮其設計靈活、集成度高、收發(fā)速度快等優(yōu)點，為SoPC設計中網絡功能提供了新的方案。
關鍵詞：SoPC；NIOSⅡ；網絡模塊

    網絡模塊是網絡設備中必不可少的部分，隨著近年來物聯網技術的高速發(fā)展，對互聯設備的網絡模塊提出的更高要求。本文提出了基于NIOSⅡ的SoPC系統設計與實現的網絡模塊。
    美國Altera公司于2000年提出了SoPC(Systemon a Programmable Chip，可編程片上系統)技術，并同時推出了相應的開發(fā)軟件QuartusⅡ及硬件平臺FPGA (Field-Programmable Gate Array)。SOPC具備嵌入式處理器內核，具有豐富的IP核資源可供選擇，擁有足夠的片上可編程邏輯資源，提供處理器調試接口和FPGA編程接口，具有單芯片、低功耗、小封裝等的優(yōu)點。NIOSⅡ是Altera公司發(fā)布的軟核處理器，其最大特點是可配置性較好，即用戶可根據自已的標準定制處理器，按照需求選擇合適的外設、存儲器和接口。此外還可以輕松集成自己專有的功能，使設計具有獨特的競爭優(yōu)勢。NiosⅡ軟核處理器的原理框圖如圖1所示，其中對用戶可見的單元電路包括存儲器文件、算術邏輯單元(ALU)、與用戶自定義指令邏輯的接口、異常控制器、中斷控制器、指令總線、數據總線、指令及數據緩存、緊密耦合存儲器接口電路及JTAG調試模塊等。本設計通過Altera公司的FPGA芯片和NIOSⅡ嵌入式系統實現SoPC。

1 系統總體方案設計
    Altera公司的SoPC Builder為建立SoPC設計提供了標準化的圖形環(huán)境，SoPC Builder包含在QuartusⅡ軟件中。SoPC Builder幫助設計者自動完成系統集成的工作，ScPC提供了直觀的圖形用戶界面(GUI)，幫助設計者添加和配置系統所需的外設(包括存儲器、定制外設和IP模塊)，根據設計者的要求將這些外設與處理器連接在一起，并自動完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線控制等工作。完成系統配置之后，SoPC Builder根據要求生成VHDL或Verilog HDL的系統級設計代碼，并自動生成部分外設的硬件抽象層(HAL)代碼和底層硬件驅動代碼，為軟件開發(fā)做好準備。圖2所示為SoPC Builder為本次設計生成的系統模塊的應用實例。

2 網絡模塊設計與實現
    SoPC系統設計流程如圖3所示。設計者根據任務要求決定系統需求，用SoPC Builder建立自已的SoPC系統。在硬件方面，建立一個頂層設計文件，將生成的SoPC系統例化，并設置引腳分配、時序要求及其它設計約束，然后編譯硬件設計并將FPGA設計下載到目標板中。在軟件方面，用Nios IIIDE開發(fā)應用軟什，在其中使用Nios II指令仿真器運行并調試軟件。之后將可執(zhí)行軟件下載到目標板上的NiosⅡ系統中，在目標板上運行調試軟件，并對設計的不足進行收進。
2．1 硬件模塊設計
    系統選用Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C6，構建一個基于NIOS II的SoPC系統。本設計中，NIOS II CPU負責網絡模塊的控制、數據的傳輸以及I／O接口等功能，故選用高端NIOS II／f內核以滿足所要求的功能，其約占1400—1800個邏輯單元，3個M4K RAM塊，可以用來增加指令緩存。NIOS II／f的最好性能可達到101 MIPS將NIOS II處理器的復位地址設置為cfi_flash，其為非易失存儲器Flash。將NIOS II處理器的異常地址設置為sdram_0，其為掉電易失的存儲器SDRAM在“JTAG Debug Module”標簽下選擇Level 1，此時占用邏輯資源最少，為300—400邏輯單元，2個M4K RAM塊。
    網絡模塊選用DAVICOM半導體公司的DM9000A DM9000A集成了帶有通用處理器接口的MAC和PHY，支持100Base-T應用，帶有auto-MDIX，支持10Mb／s和100Mb／s的全雙工操作DM9000A既可支持8位處理器，也可支持16位處理器接口。DM9000A完全兼容IEEE 802．3u規(guī)范，支持IP／  TCP／UDP求和檢驗，支持半雙工模式背壓數據流控。

    DM9000A內部功能框罔如圖4所示，左邊帶有AUTO—MDIX的收發(fā)器提供RJ45的接口，中間為MAC，右邊則為處理器接口。處理器可通過這個接口實現對DM9000A的控制，具體引腳包括：
    ◇nRD讀命令；
    ◇nWR寫命令；
    ◇nCS／nAEN片選；
    ◇SD0～SD7數據總線(低8位)；
    ◇SD8～SD15數據總線(高8位)，在16位模式下才有用；
    ◇CMD命令類型。低電平時，讀寫INDEX口；高電平時，讀寫DATA口；
    ◇INT中斷請求。
    SoPC的標準組件庫中并不包含網絡控制器DM9000A，在這里需要添加自定義組件。
在SoPC Builder中，用Create new component添加自定義組件。需要向其添加HDL設計文件DM9000A_IF.v，用來設計一個從Avalon總線到DM90 00A的一個邏輯接口，其代碼所下：
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    接下來設置輸入／輸出信號，使DM9000A控制器的輸入／輸出信號與Avalon總線信號匹配。
    在QuartusⅡ中為系統創(chuàng)建一個如圖5所示NIOSⅡCPU頂層文件，實現對NIOSⅡ系統例化。

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    DM9000A為本設計的核心，其模塊如圖6所示。其中：

    ◇iCMD用來區(qū)分是INDEX端口還是DATA端口，與處理器的地址線相連；
    ◇iCS_N片選信號；
    ◇iDATA寫數據；
    ◇iRD_N讀信號；
    ◇iRST_N復位信號；
    ◇iWR_N寫信號；
    ◇oTADA讀數據；
    ◇oINT中斷請求信號；
    ◇其余信號均與Avalon總線相連。
    將編譯后的文件下載到FPGA中，完成硬件部分的設計。
2．2 軟件模塊設計
    系統網絡模塊的控制是通過在集成開發(fā)環(huán)境NiosⅡIDE中用C語言編程實現的。
    為實現網絡模塊的通信功能，需存放MAC地址、IP地址以及目標MAC地址、IP地址，其數據結構均用無符號字符型數組實現，MAC地址為6個字節(jié)，IP地址為4個字節(jié)，如下：
   
   
    網絡通信，最重要的就是協議的一致。本設計將各個協議字段存儲在一維無符號字符型數組中，根據各個協議需求的不同而開辟不同的空間，如下：
   
    接收到的數據報存儲在無符號字符型數組中，其中數組長度，即可接收的數據報長度MAX_PACKET_SIZE由頭文件確定為1522，如下：
    unsigned char rcv [MAX_PACKET_SIZE]；
    ／／接收到的報文

    網絡模塊控制流程如圖7所示。系統首先對網絡控制器DM9000A進行初始化，包括ARP、內存、定時器等的初始化。初始化完成之后，通過特定接口設置網卡的IP地址、子網掩碼、默認網關等信息。接下來，網絡模塊開啟中斷，以便接收網絡控制器的中斷信號。當接收到發(fā)送端或接收端的中斷信號后，分別進入到各自的處理進程中進行處理。若沒有中斷，系統則進入等待狀態(tài)。

3 系統測試
    由前面的工作，完成了網絡模塊軟、硬件部分的設計。將設計下載到FPGA平臺中，運行該系統。
    使用網線將FPGA的RJ45接口與路由器相連接。網絡模塊自動獲取IP地址為192．168．0．101，子剛掩碼為255．255．255．0，默認網關為192．168．0．1計算機也與同一個路由器相連，其獲取的IP地址為192．168．0．100。這樣計算機與FPGA中網絡模塊處于同一網段，互相之間可以通信。使用Ping命令，由計算機向網絡模塊的IP地址192．168．0．101發(fā)送500個包，無丟包現象，在這500個數據包中，返回速度在2～5ms之間。通過在NiosⅡIDE中編程實現網絡模塊Ping計算機，同樣發(fā)送500個包沒有丟包現象。
    將另一個同樣的FPGA連接到路由器上，獲取到IP地址192．168．0．102。在NiosⅡIDE中編程，IP地址為192．168．0．101的FPGA通過網絡模塊向IP地址為192．168．0．102的FPGA發(fā)送UDP格式的控制報文，可以順利控制后者面板上LED燈的亮滅，延遲不超過1秒。
    本設計完成了基于SoPC的網絡摸塊的軟硬件設計與調試，驗證了網絡饃塊的工作狀況，并在此基礎上實現了基于網絡的控制命令的傳送，使SoPC設計能與PC機或其他各種電子設備進行數據交換。隨著物聯網技術的發(fā)展，基于網絡的系統必將具有廣闊的應用前景。