基于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

1 引言
隨著internet技術的發(fā)展，在許多領域都引起了飛躍性的變化。嵌入式系統(tǒng)應用領域中一個新的趨勢就是開始在嵌入式設備上集成網(wǎng)絡通信功能，比如網(wǎng)絡監(jiān)控、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，以便于通過網(wǎng)絡與遠程設備進行信息的交互和增強系統(tǒng)的互連性，僅僅需要一根網(wǎng)線就可以輕輕松松完成系統(tǒng)的互連。
目前市場上的嵌入式處理器的種類很多。altera公司推出了第二代片上可編程嵌入式軟核處理器nios ii，再配上其低成本、高性價比的fpga器件，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得越發(fā)方便。再者由于nios ii可配置和fpga器件可編程的特點，與專用硬件相比靈活性得有很大的優(yōu)勢，從而使得fpga器件在現(xiàn)代電子設計中得到廣泛的應用。

2 系統(tǒng)設計
2.1 nios ii簡介
nios ii嵌入式軟核處理器是altera公司推出的第二代片上可編程的軟核處理器，nios ii是可配置的，用戶可以根據(jù)自己的實際需要進行處理器的配置，以達到資源的合理使用，其性能可以超過200dmips。nios ii采用哈佛結構，具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令及數(shù)據(jù)緩沖，而且支持用戶自定義指令（最多256個）以擴展cpu指令集，提升系統(tǒng)的性能，為可編程片上系統(tǒng)（sopc）設計提供了一套完整的解決方案。nios ii提供了三種內(nèi)核：nios ii/f是一種高性能的內(nèi)核，速度最快但消耗的資源最多；nios ii/e是低成本內(nèi)核，速度最慢消耗的資源最少；nios ii/s是一種性能和成本折中的內(nèi)核。本設計采用的是nios ii/s內(nèi)核。
nios ii的優(yōu)勢就在于其靈活性，可以根據(jù)用戶的需求進行靈活的配置和裁剪。基于nios ii軟核的系統(tǒng)設計利用altera公司提供的系統(tǒng)設計工具sopc builder和集成開發(fā)環(huán)境niosii ide可以進行軟硬件協(xié)同設計，很大程度上縮短開發(fā)周期，在系統(tǒng)開發(fā)的任何階段要都可以很方便的對系統(tǒng)進行修改。fpga器件豐富的邏輯資源，結合nios ii強大的處理能力，將為嵌入式系統(tǒng)設計提供有效的解決方案。
2.2 系統(tǒng)設計

圖 1 系統(tǒng)模塊圖

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。設計采用了altera公司的cyclone ii系列芯片。在其中配置niosii軟核處理器控制外圍設備和協(xié)議棧的運行。而且添加了一個計算校驗和的用戶指令（cal_checksum）。
片上ram用作內(nèi)存運行程序；flash使用了sharp公司的lh28f160s3t-l13a，用來存儲程序和配置信息，系統(tǒng)上電后，先將程序從flash中拷貝到片上ram運行；網(wǎng)絡接口芯片使用smsc公司的10/100m以太網(wǎng)接口控制芯片lan9c111，所以在sopc builder中配置系統(tǒng)時，需要加上altera免費提供的lan9c111接口控制器，嵌入式設備通過lan9c111就可以接入以太網(wǎng)，與網(wǎng)絡上的其他設備進行網(wǎng)絡通信；sdram選用micron公司的mt48lc8m16a2，用來緩存網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，其中sdram控制器使用altera免費提供的sdram控制器。
要提高系統(tǒng)的性能，一方面是提高處理器的處理能力；另一方面就是將用軟件處理比較費時間的模塊使用硬件模塊來實現(xiàn)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡協(xié)議棧的運行過程中，最耗費時間的是校驗和的計算，尤其是當數(shù)據(jù)量非常大的時候。為此，專門用硬件定制了一個用戶指令校驗和計算指令（cal_checksum），對數(shù)據(jù)校驗和的計算實現(xiàn)硬件加速，作為一個指令添加到niosii系統(tǒng)中，在協(xié)議棧程序中調(diào)用來縮短計算校驗和的時間，提高處理速度，達到提升系統(tǒng)性能的目的。
2.3 校驗和計算指令（cal_chkusm）
在上面的分析中已經(jīng)提到過，在整個協(xié)議棧的處理中，最耗時間的就是數(shù)據(jù)校驗和的計算，特別是當數(shù)據(jù)長度很大時。所以在設計中將數(shù)據(jù)校驗和的計算采用硬件模塊來實現(xiàn)，作為niosii的一個用戶自定義指令，以提高校驗和計算的速度。在協(xié)議棧的移植過程中，將數(shù)據(jù)的寬度修改為16位，方便最后將16位校驗和的計算結果添加到相應的域。