近年來,，隨著信息技術的發(fā)展,，網(wǎng)絡化日加普遍，以太網(wǎng)被廣泛應用到各個領域,。例如在數(shù)據(jù)采集領域,，一些 小型監(jiān)測設備需要增加網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽灰切┰O備上增加一個網(wǎng)絡接口并實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議,，就可以方便地接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡中,，完成遠程 傳輸數(shù)據(jù)的相關功能，所以小型設備的網(wǎng)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(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NiosII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 StraTIxIV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ISE11,，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(shù)據(jù)的傳輸,，最后動態(tài)顯示以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
系統(tǒng)硬件平臺設計
1,、系統(tǒng)總體硬件的結構
在系統(tǒng)硬件結構中,，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，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 SPIFlashM25P16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,。
2,、系統(tǒng)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(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：
MicroBlaze的系統(tǒng)硬件配置和Simulink接收塊的搭建
1,、MicroBlaze和系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(lián)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(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)的軟硬件設計,，包括系統(tǒng)硬件平臺的搭建，驅動程序的配置,，Xilkernel操作系統(tǒng)內的核參數(shù)配置,，軟件庫的設置，文件系統(tǒng)的生成及外設控 制芯片接口配置都可以在EDK(EmbeddedDevelopmentKit)內完成,。EDK的整體開發(fā)流程如圖2所示,。
整個系統(tǒng)設計具體操作如下：
(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(XilinxPlatform.Studio)中，處理器功能單 元,，系統(tǒng)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(BaseSystemBuilder)中完成。在Microblaze 系統(tǒng)的基本構建中其主要設置如下：使用SingleProcessorSystem系統(tǒng),，LocalMemory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,，本設計還用到的GIOP、EthernetMAC,、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(MicroprocessorHardwareSpecificaTIon)和描述軟件系統(tǒng)結構的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro- processorSoftwareSpecification)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(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,、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(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)通過此模塊可以較直觀地用圖形動態(tài)顯示,。
系統(tǒng)的軟件平臺及網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)
1、軟件內核和協(xié)議
本設計主要選擇了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)絡層,、網(wǎng)絡接口層)層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡來完成自己的需求,，系統(tǒng)分為兩部分實現(xiàn)：
第一部分為物理層和MAC層,，本設計中用LAN83C185來實現(xiàn)物理層，MAC層由Xilinx公司的EthernetMACIP核,，并作為整個MicroBlaze系統(tǒng)硬件的一部分在FPGA內實現(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(xiàn)內核的高擴展性,。
本設計主要采用LwIP3.OOb(LightweightInternetProtocolstack)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 Xemacifinputthread線程，從中斷響應的過程中接收數(shù)據(jù)包并轉移到LwlP的tepipthread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)設置)從而減少存儲器利用量和代碼編寫。
2,、網(wǎng)絡通信程序的實現(xiàn)與設計
網(wǎng)絡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)關的配置,，并完成Socket應用。
以太網(wǎng)的配置如下：
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(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ProcessCommand函數(shù)分析數(shù)據(jù)包的內容并應用webserber定義的相關的 命令實現(xiàn)相關的應用,，write函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送,，完成Socket服務并把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。
Simulink中用TCP/IP模 塊,，remoteaddress參數(shù)設定為(211,、80、192,、237),，端口設定為80，即與 IP4_ADDR(＆ipaddr,，211,，80,，l92，237)和address.sinport="htons"(80)設為一致,，這樣就保證了接 收與發(fā)送網(wǎng)絡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。
結論
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(shù)據(jù)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(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,，其軟硬件部分的設計分離的設計架構，使得整個系統(tǒng)修改和重構更加方便,，真正實現(xiàn)了所謂的片 上系統(tǒng),。而本設計采用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,。