當前位置:首頁 > 嵌入式 > 嵌入式軟件
[導讀]FPGA的TCP/IP通信協(xié)議與Matlab通信系統(tǒng)的研究

 O 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)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?,只要那些設(shè)備上增加一個網(wǎng)絡(luò)接口并實現(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。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(shè)計并且推出了相應的軟件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)計環(huán)境,可以實現(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,用戶可以實時看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果并且進行相應的數(shù)據(jù)處理?;谝陨鲜聦?,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(shè)IP核一起完成SOPC的設(shè)計并且完成與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

  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軟核來實現(xiàn)。該方案將物理層和MAC分開,將MAC 用IP來實現(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)實時顯示從以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù),并可進行相應的處理。本設(shè)計主要是完成發(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

  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(shè)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(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。用于點對點的單向通信總線。使整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,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。


 

[!--empirenews.page--]

  整個系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)外圍總線結(jié)構(gòu),終端外設(shè)以及相應的地址映射和默認的驅(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的自帶默認的相應驅(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)議的實現(xiàn)

  3.1 軟件內(nèi)核和協(xié)議

  本設(shè)計主要選擇了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、運行速度快等特點,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)分為兩部分實現(xiàn):

  第一部分為物理層和MAC層,本設(shè)計中用LAN83C185來實現(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)實現(xiàn)。

  第二部分是運輸層和網(wǎng)際層,主要由軟件代碼實現(xiàn)。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信軟件允許用戶遠程注冊到另一個系統(tǒng)中,并從一個系統(tǒng)復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現(xiàn)內(nèi)核的高擴展性。

  本設(shè)計主要采用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進行例化(包括相應的 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)通信程序的實現(xiàn)與設(shè)計

  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應用。[!--empirenews.page--]

  以太網(wǎng)的配置如下:


<-- 2010/7/10 23:03:27--> 當服務(wù)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(shù)綁定,用函數(shù)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(shù)分析數(shù)據(jù)包的內(nèi)容并應用web serber定義的相關(guān)的命令實現(xiàn)相關(guān)的應用,write函數(shù)實現(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)目蓪崿F(xiàn)性。設(shè)計發(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用這個設(shè)計平臺,證明了此平臺設(shè)計可行性,并且完成了FPGA與Matlab的通信,為數(shù)據(jù)的實時顯示及實時控制提供了很好的平臺和設(shè)計方法,本設(shè)計也完成了 CPU軟核設(shè)計的實現(xiàn),其功能可根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)平臺的復雜度,縮短了開發(fā)的周期,其軟硬件部分的設(shè)計分離的設(shè)計架構(gòu),使得整個系統(tǒng)修改和重構(gòu)更加方便,真正實現(xiàn)了所謂的片上系統(tǒng)。而本設(shè)計采用Matlab接收數(shù)據(jù),并且可利用其強大的數(shù)據(jù)采集、處理、仿真、實時動態(tài)顯示的功能來更好完成數(shù)據(jù)分析研究。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉