在嵌入FPGA的IP核8051上實(shí)現(xiàn)TCP/IP的設(shè)計(jì)

隨著芯片規(guī)模的越來(lái)越大、資源的越來(lái)越豐富, 芯片的設(shè)計(jì)復(fù)雜度也大大增加。事實(shí)上, 在芯片設(shè)計(jì)完成后, 有時(shí)還需要根據(jù)情況改變一些控制, 這在使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)常遇到。這時(shí)候如果再對(duì)芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行改變將是很不可取的, 因?yàn)樾枰O(shè)計(jì)人員參與這種改變, 這無(wú)論是對(duì)設(shè)計(jì)者還是用戶都是不能接受的。于是就有必要讓這種可以改變的簡(jiǎn)單控制在芯片設(shè)計(jì)時(shí)就存在, 而且同時(shí)還應(yīng)該使這種改變相對(duì)容易, 比較通用, 并且與芯片的其它設(shè)計(jì)部分盡量不相關(guān)。為了滿足上述的要求, 在FPGA中嵌入一個(gè)IP核是比較理想的選擇, 而這個(gè)即通用又控制簡(jiǎn)單的IP核最好選擇8051微處理器。

在FPGA中植入8051后, 還可在上面實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的TCP/IP協(xié)議, 以支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)或進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試, 這只是在嵌入FPGA的8051上的一個(gè)應(yīng)用。為了保證用戶能夠?qū)?051實(shí)現(xiàn)不同的控制操作,設(shè)計(jì)時(shí)也可以采用一個(gè)外部flash對(duì)8051進(jìn)行加載, 這樣, 用戶只需要將編譯好的匯編語(yǔ)言代碼加到flash就可以控制8051的工作, 而此時(shí)用戶完全不需要對(duì)FPGA進(jìn)行操作就能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制,而這需要的僅僅只是keil的編譯環(huán)

1 IP核8051的FPGA實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在有許多免費(fèi)的8051核可以利用, 這些核都可通過(guò)硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn), 并且基本上都可綜合, 也就是直接拿來(lái)就能用, 需要的只是根據(jù)自身的具體需求做一些簡(jiǎn)單修改即可?？偟恼f(shuō)來(lái), IP核8051的移植是比較簡(jiǎn)單的。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可以采用oregano system的mc8051內(nèi)核, 并且加入定時(shí)計(jì)數(shù)的和串口模塊, 8051單片機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在8051核的FPGA設(shè)計(jì)中, 完全可以實(shí)現(xiàn)包括計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)、中斷、串口、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)器、特殊寄存器、布爾處理的位處理機(jī)等的所有功能, 而且兼容所有指令, 只是在具體的移植過(guò)程中做一些改變而已。

這種方法對(duì)程序存儲(chǔ)器不再做內(nèi)外之分, 因?yàn)镕PGA內(nèi)部存儲(chǔ)容量已經(jīng)能夠滿足要求, 同時(shí)將程序存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)大了一倍 (變?yōu)?KB), 以滿足大程序的容量需求; 為了讓8051更為強(qiáng)大且更具有通用性, 可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的容量擴(kuò)大一倍, 變?yōu)?56字節(jié)?？梢钥闯? 在設(shè)計(jì)過(guò)程中將8051的功能也進(jìn)行了加強(qiáng), 但是并不影響對(duì)它的控制, 僅僅是在硬件上對(duì)存儲(chǔ)器的容量進(jìn)行了擴(kuò)大, 而這種擴(kuò)大只是改變了地址線的寬度, 完全不影響111條指令的正確執(zhí)行。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)這只是可以使用的內(nèi)部RAM增加了, 控制并沒(méi)有任何改變。當(dāng)然, 在資源比較緊張, 而且程序容量比較小時(shí), 也可以將存儲(chǔ)器的容量改小, 這種改變也相當(dāng)方便, 只需要改變地址線的寬度就能達(dá)到目的。由此可見(jiàn), 設(shè)計(jì)時(shí)完全可以根據(jù)需要改變IP核的設(shè)計(jì), 而不局限于8051。

雖然整個(gè)8051IP核能正確執(zhí)行所有指令, 并能實(shí)現(xiàn)串口、計(jì)時(shí)器及中斷控制, 且整個(gè)IP的核工作時(shí)鐘也在20 MHz以上, 但是, 由于這時(shí)候的所有指令周期并不與真實(shí)的8051完全一致, IP核中有的指令需要比真正的8051多執(zhí)行幾個(gè)周期才能完成, 這就使得分析IP核的工作時(shí)鐘復(fù)雜起來(lái)了, 因?yàn)橄鄬?duì)于真正的8051不能有一個(gè)精確的工作時(shí)鐘對(duì)比。但是經(jīng)過(guò)分析仍然可以認(rèn)為, IP核應(yīng)該可以工作在15 MHz左右, 也就是比真實(shí)的8051快了15倍左右。這對(duì)于芯片整體來(lái)說(shuō), 其速度可能相對(duì)較低, 但是由于這部分與芯片其它部分的邏輯相關(guān)性極小, 所以并不會(huì)影響芯片的整體性能, 而對(duì)于一些簡(jiǎn)單控制來(lái)說(shuō), 這個(gè)速度還是能夠滿足要求的。

2 UIP協(xié)議棧

2.1 UIP簡(jiǎn)介

在FPGA中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的主要目的是為了滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)芯片的遠(yuǎn)程調(diào)試。而滿足這種要求實(shí)際上并不需要很強(qiáng)大和快速的傳輸功能。功能過(guò)于強(qiáng)大將會(huì)占用過(guò)多的資源, 而且實(shí)際上, 很多功能并沒(méi)有實(shí)際作用; 同時(shí)也不需要很快的傳輸速度。畢竟對(duì)于一個(gè)芯片的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),無(wú)論是設(shè)計(jì)文檔或是設(shè)計(jì)程序, 容量都是非常有限的。綜合考慮, 則應(yīng)選擇一個(gè)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、占用資源少, 但能夠比較穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議, 為此, 本文選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的UIP協(xié)議棧,而放棄了功能比較強(qiáng)大的LWIP協(xié)議棧。選擇UIP還有一個(gè)好處, 就是這個(gè)協(xié)議棧是專門(mén)針對(duì)單片機(jī)等微控制器設(shè)計(jì)的TCP/IP協(xié)議棧, 它能夠利用嵌入的IP核8051來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議, 而不再需要額外的邏輯單元。

UIP的特點(diǎn)是代碼量和數(shù)據(jù)量都比較小, 因而可以為存儲(chǔ)器比較緊張的地方提供合適的實(shí)現(xiàn)方案, 包括TCP/IP所需的最小實(shí)現(xiàn)方案和只包含TCP、IP、ICMP (ping) 以及簡(jiǎn)單的UDP協(xié)議, 其具體的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示, 圖2中, 帶“