當前,，SoC向著面積更小、速度更高的方向發(fā)展,，百兆網(wǎng)通信已不能滿足人們的生產(chǎn)和工作需要,，用千兆網(wǎng)通信成為工作中迫切的要求。用FPGA實現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信,，有二種模式可以選擇：其一,，編寫一個IP軟核；其二,，用FPGA內(nèi)嵌的MAC內(nèi)核,。方法一的靈活性大，但要實現(xiàn)并不容易,，因此,，賽靈公司將其歸為收費IP,；方法二中，MAC的三態(tài)可配置特性為實現(xiàn)千兆網(wǎng)通信提供了可能,。本設(shè)計就是基于此內(nèi)嵌的Ethernet MAC模塊,，在Vx-Works操作系統(tǒng)下成功實現(xiàn)了千兆網(wǎng)的通信。
1 Virtex4 FX系列FPGA中內(nèi)嵌的千兆通信硬核架構(gòu)
Virtex4 FX系列FPGA中內(nèi)嵌了多個用于千兆通信的硬核,。以XC4VFX20為例,，如圖1所示，它通過一個主機接口連接了2個EMAC核,。2個EMAC可以一起使用,，也可以只使用其中的一個。
Virtex4中嵌入的Ethernet MAC硬核主要特點：
◆支持半雙工和(或)全雙工操作,；
◆設(shè)計符合IEEE 802.3-2002標準,；
◆支持3種操作模式：1 Gb／s、100 Mb／s,、10 Mb／s,；
◆支持MII、GMII,、RGMII,、SGMII通信方式；
◆為不限長度的VLAN幀和JUMBO幀提供技術(shù)支持,；
◆提供了可選的網(wǎng)絡(luò)管理特性,，包括基于每個分組的統(tǒng)計數(shù)據(jù)矢量和流程控制。
通過一個與處理器無關(guān)的接口,，可以對TEMAC核進行配置和監(jiān)控,，其為用戶選擇適合其應用的理想處理器提供了附加的靈活性。
在1 Gb模式下,，TEMAC支持千兆位級媒體獨立接口(GMII)和降低千兆位級媒體獨立接口(RGMII),。GMII是一個運行頻率為125 MHz的字節(jié)寬并行SDR接口，而RGMII是一個運行頻率為25 MHz的半位元組并行DDR接口,，可以提供的總帶寬為1 Gb／s,。而且，在100 Mb／s和10 Mb／s模式下,，TEMAC均支持MII接口,。MII接口是4位寬，在100 Mb／s模式下其工作頻率為25 MHz,。在10 Mb／s模式下,，MII接口的工作頻率為2.5 MHz。
由于Virtex4中嵌入了Ethernet MAC硬核,，同時,，F(xiàn)X系列還嵌入了PowerPC,，這樣，就可以用PowerPC控制Ethernet MAC實現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信,。
2 VxWorks下BSP的移植
VxWorks 操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS),。它采用微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，具有支持多種處理器,、豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,、良好的兼容性和裁剪性等特點，同時具有程序動態(tài)鏈接和下載的功能,。自從20世紀80年代問世以來,，以其不斷推出的升級版本、高性能內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境,，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地,，尤其以成功應用于火星探測車和愛國者導彈等高科技產(chǎn)品而聞名。VxWorks的板級支持包BSP (Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包,，主要功能是屏蔽硬件,，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動,。具體功能包括：
◆單板硬件初始化,，主要是CPU的初始化，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持,；
◆為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動和系統(tǒng)中斷服務程序,；
◆定制操作系統(tǒng)的功能，為軟件系統(tǒng)提供一個實時多任務的運行環(huán)境,；
◆初始化操作系統(tǒng),，為操作系統(tǒng)的正常運行做準備。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中,，BSP的開發(fā)是一項非常復雜而繁瑣的工作,，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上減輕開發(fā)者的工作負擔,。EDK中的 BSP生成器(BSPgen)可以根據(jù)不同的微處理器,、外設(shè)和RTOS組合自動產(chǎn)生用戶可裁剪的BSP。它包含了系統(tǒng)所必需的支持軟件,，包括Boot代碼,、設(shè)備驅(qū)動和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驅(qū)動打包到BSP的子目錄下,，并且把Xilinx器件驅(qū)動與VxWorks及其 Tornado集成開發(fā)環(huán)境無縫集成,，充分縮短開發(fā)周期。
但是,，BSPgen生成的BSP只是一個固定的BSP模板,，并不能正確地反映RAM／ROM的存儲器映射,，不支持用戶通過BSPgen流程自定義的核／驅(qū)動等。因此還需要對BSPgen產(chǎn)生的BSP進行修改,。
對BSP開發(fā)人員來講,，借助EDK的BSPgen，還必須要做以下幾項工作：
?、傩薷腸onfig.h和Makefile中的RAM,、ROM地址及串口速率；
?、谛薷膕ysSerial.c,，對串口進行正確的設(shè)置；
?、墼黾硬荒芘cVxWorks無縫集成的器件的驅(qū)動文件,，關(guān)鍵性中斷、GPIO接口等,；
?、芘渲胹ysNet.c中的以太網(wǎng)參數(shù)，設(shè)置MAC地址,；
?、莞鶕?jù)EDK中的配置，禁止或使能Cache,；
?、扌薷膕ysL ib.c，以顯示正確的信息,；
?、咴O(shè)置主機IP地址。
經(jīng)過以上修改之后,，將新的BSP放在Tornado的安裝目錄Tornado_root＼target＼config下,。根據(jù)這個BSP，在Tornado集成環(huán)境下生成一個新的VxWorks工程,，然后就可以進行一般的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)了,。
EDK中RAM和ROM的地址映射如表1所列。
若為表1所列的工程,，則在config.h和Makfile文件中要進行如下修改：
sysNet.c中通過以下語句定義了網(wǎng)絡(luò)的MAC地址,，必須根據(jù)真實的MAC地址進行修改，如本文的MAC地址：00：0A：35：01：88：25
sysSerial.c對串口進行初始化,，因為要正確地指定串口ID,，sysLib.c中可以顯示VxWorks鏡像的信息，因此也要進行相應的修改,，如將
通過對EDK下牛成的BSP的修改,，并在Tornado集成環(huán)境下生成正確的VxWorks鏡像后,，可以將其下載到FPGA中。觀察串口的輸出是否正確,，可以進行相應的調(diào)試工作,，以確定BSP的移植是正確的。
3 UDP服務器／客戶端程序
對VxWorks BSP進行正確的配置和修改后,，在useAppInit.c中書寫自己的UDP服務器端程序,。本設(shè)計用基于socket的UDP通信。
網(wǎng)絡(luò)通信一般可通過socket實現(xiàn),。socket編程均采用客戶機／服務器模式,，VxWorks提供了標準的BSDsocket調(diào)用，支持UDP協(xié)議,。UDP協(xié)議即數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,，它允許創(chuàng)建和維護與遠程計算機的連接，使其彼此可以進行數(shù)據(jù)傳輸,。通信過程如圖2所示,。
服務器首先調(diào)用socket()建立一個套接字socket，然后調(diào)用bind()將套接字與一個本地網(wǎng)絡(luò)地址(IP地址和端口號)捆綁在一起,，以保證客戶端正確識別,。接著服務器再調(diào)用listen()使套接字處于被動的準備接收狀態(tài)，同時規(guī)定它的請求隊列長度,，隨后調(diào)用accept()來接收客戶連接,。服務器進程隨即進入阻塞狀態(tài)?？蛻襞c服務器的關(guān)系是不對稱的。服務器先啟動,。然后在某時刻客戶主動發(fā)出請求,，服務器被動應答。
客戶端程序首先調(diào)用socket(),，這個函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接口,，并為每個套接口返回一個ID號。然后初始化一個套接口結(jié)構(gòu)體,，為其賦上該 ID號以及服務端的IP地址和端口號,，并將其作為函數(shù)connect()的參數(shù)．調(diào)用connect()函數(shù)主動去連接服務端。
當服務端與客戶端建立連接之后,，就可以發(fā)送(write)和接收(read)數(shù)據(jù),。部分代碼如下：
客戶端應用程序在Windows下用VC實現(xiàn)，代碼略,。
4 實驗結(jié)果
結(jié)合工程實際開發(fā)的順序,，分2步對VxWorks下千兆網(wǎng)通信進行測試：
第1步,，在usrAppInit.c中打印hello the world，若出現(xiàn)圖3所示窗口,，則證明VxWorks內(nèi)核已正確加載,，以及BSP移植的正確性。程序跑到用戶編寫的usrAppInit.c,。
第2步,，對編寫的UDP服務器／客戶端進行測試，結(jié)果如表2所列,。
5 結(jié) 論
由于FPGA中嵌入了PowerPC處理器及用于千兆網(wǎng)通信的Ethernet MAC,，這樣，為利用FPGA實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信奠定了基礎(chǔ),。本文在VxWorks操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了UDP的千兆網(wǎng)通信,，實測速度達到294.68 Mb/s，吞吐量達到近30％,。