基于FPGA和LAN91C111的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)
ALTERA公司提供的硬件抽象層(HAL)中封裝了系統(tǒng)中硬件的相關(guān)細(xì)節(jié)和驅(qū)動(dòng)程序，用戶可在HAL的基礎(chǔ)上方便地開發(fā)存儲(chǔ)等應(yīng)用程序。
NIOSⅡIDE環(huán)境中集成有μCOS II和LWIP，其中LWIP必須在μCOS的支持下使用。μC／OSⅡ是一種免費(fèi)公開源代碼，結(jié)構(gòu)小巧，而且具有可剝奪
實(shí)時(shí)內(nèi)核的操作系統(tǒng)，它可移植、可裁剪，最多可管理64個(gè)任務(wù)，其每個(gè)任務(wù)都擁有自己獨(dú)立的堆棧，大部分源碼可使用ANSI C語言編寫，整個(gè)軟件部分可在NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境下完成。由于程序的內(nèi)容較多，本文著重介紹LAN91C111的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)三個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)方法。
2．1 初始化
ALTERA提供有LWIP的NIOS II端口，其源代碼包含在NIOS II開發(fā)工具包中。LWIP可為NIOS II處理器提供對(duì)以太網(wǎng)連接棧的快速、開源
地訪問。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封裝，提供有標(biāo)準(zhǔn)的、文檔說明齊全的套接字API。LWIP協(xié)議棧的主要接口是標(biāo)準(zhǔn)的套接字接口。
除了套接字接口以外，還可調(diào)用lwip_stack_init()函數(shù)和lwip_devices_init()函數(shù)來對(duì)堆棧和驅(qū)動(dòng)程序初始化。通過HAL系統(tǒng)代碼可調(diào)用
init_done_func()、get_mac_addr()和get_ip_addr()函數(shù)來設(shè)置MAC地址和IP地址。為了初始化堆棧，在調(diào)用OSStart啟動(dòng)μC／OS II調(diào)度程序之前應(yīng)調(diào)用函數(shù)lwip_stack_init()，其原型為voidlwip_stack_init( int thread_prio， void(*init_done_func)(void*)，void*arg)。堆棧初始化后，還必須調(diào)用函數(shù)init_done_func()，而該函數(shù)必須調(diào)用函數(shù)lwip_devices_init()。利用函數(shù)lwip_devices_init()可以對(duì)在system．h中定義的所有已安裝的以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)，若返回一個(gè)非0值則表示注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后，TCP／IP棧即可使用，之后便可在程序中創(chuàng)建任務(wù)。該函數(shù)的參數(shù)是接收線程的優(yōu)先級(jí)。LWIP系統(tǒng)碼在設(shè)備初始化過程中，可通過lwip_devices_init()函數(shù)調(diào)用函數(shù)get_mac_addr()和get_ip_addr()。用戶通過編寫這些函數(shù)，可在系統(tǒng)中將MAC和IP地址存放在任意位置，從而代替在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中固定位置的硬編碼，并增加系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計(jì)時(shí)，可以將MAC地址存放在Flash存儲(chǔ)器中，也可以將MAC地址存放在片上內(nèi)嵌的存儲(chǔ)器中。當(dāng)所有的初始化都準(zhǔn)備好后即可調(diào)用OSStart()以啟動(dòng)RTOS進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。這個(gè)過程需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型，然后再按照所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)包。
2．2 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可采用中斷方式。中斷服務(wù)程序通過檢查L(zhǎng)AN91C111的中斷狀態(tài)寄存器來判斷是發(fā)送中斷請(qǐng)求還是接收中斷請(qǐng)求。初始化完成后，即可創(chuàng)建任務(wù)，建立套接字，綁定端口，綁定完之后，再監(jiān)聽端口。當(dāng)LAN91C111接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，可由EPH模塊察看此數(shù)據(jù)包的目的地址，若為本網(wǎng)卡的MAC地址或廣播地址或多播地址，則把此數(shù)據(jù)包傳送到LAN91C111的RAM中，并向處理器發(fā)送中斷，由處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于采用的是TCP／IP協(xié)議，接收數(shù)據(jù)應(yīng)調(diào)用read()函數(shù)來接收建立連接的套接字中的數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)。發(fā)送過程則是由FPGA將數(shù)據(jù)傳送到LAN91C111，再由LAN91C111將接收到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，再將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，并向處理器發(fā)送中斷信號(hào)，以表示數(shù)據(jù)傳送完畢。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過調(diào)用write()函數(shù)可將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定連接的目的地址。

3 結(jié)束語
本文的整個(gè)設(shè)計(jì)使用了邏輯單元(LE)5314個(gè)，占用EP2C35F484芯片內(nèi)部資源的16％，這充分體現(xiàn)了FPGA資源的豐富性。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常選用單片機(jī)和低速網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方案，這在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)速度相對(duì)較慢，而本設(shè)計(jì)中選用高速的以太網(wǎng)控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，并可滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的需求。另外，基于FPGA的NIOSⅡ方案，還可根據(jù)實(shí)際需要添加不同IP，這也體現(xiàn)了SOPC的靈活性與可裁減性。