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(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。例如在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，一些小型監(jiān)測(cè)設(shè)備需要增加網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，只要那些設(shè)備上增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口并實(shí)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(yuǎn)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(diǎn)。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(gè)嵌入式系統(tǒng)集成到單片FPGA來實(shí)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(yīng)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(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)并且推出了相應(yīng)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(guó)MathWorks公司提供的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)環(huán)境，可以實(shí)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(shí)時(shí)看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果并且進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理?；谝陨鲜聦?shí)，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(jì)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(yīng)外設(shè)IP核一起完成SOPC的設(shè)計(jì)并且完成與Simulink數(shù)據(jù)的傳輸，最后動(dòng)態(tài)顯示以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

　　1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　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(fù)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(jià)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(kuò)SDRAM，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)。該方案將物理層和MAC分開，將MAC 用IP來實(shí)現(xiàn)，從而整個(gè)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(shí)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(gè)TCP／IP的模塊進(jìn)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示從以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)集合，具有兼容性和重復(fù)利用性，最精簡(jiǎn)的核只需要400個(gè)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(gè)外設(shè)和它們之間的信號(hào)傳輸及相應(yīng)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€(gè)PLB主設(shè)備和PLB從設(shè)備連接到整個(gè)的PLB系統(tǒng)中。

　　(2)高速的本地存儲(chǔ)器總線(LMB)。用來取RAM塊的同步總線。

　　(3)XCL總線。是一個(gè)高性能的外部?jī)?nèi)存訪問總線。

　　(4)FSL總線。用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向通信總線。使整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建，驅(qū)動(dòng)程序的配置，Xilkernel操作系統(tǒng)內(nèi)的核參數(shù)配置，軟件庫(kù)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。