1  引言

隨著internet技術(shù)的發(fā)展，在許多領(lǐng)域都引起了飛躍性的變化。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中一個新的趨勢就是開始在嵌入式設(shè)備上集成網(wǎng)絡(luò)通信功能，比如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，以便于通過網(wǎng)絡(luò)與遠程設(shè)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(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。

2  系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)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?；趎ios ii軟核的系統(tǒng)設(shè)計利用altera公司提供的系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(jié)合nios ii強大的處理能力，將為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供有效的解決方案。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

圖 1  系統(tǒng)模塊圖

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。設(shè)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(shè)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(luò)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(shè)備通過lan9c111就可以接入以太網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)通信；sdram選用micron公司的mt48lc8m16a2，用來緩存網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dāng)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(dāng)數(shù)據(jù)長度很大時。所以在設(shè)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(jié)果添加到相應(yīng)的域。

校驗和的計算需要很多個時鐘周期才能完成，所以校驗和計算指令使用了multi-cycle用戶指令結(jié)構(gòu)。multi-cycle用戶指令的端口操作有：固定長度和可變長度。因為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度是不斷變化的，所以校驗和計算指令選擇可變長度操作，這也影響到端口信號的選擇。

multi-cycle用戶指令結(jié)構(gòu)的信號有：reset，clk，clk_en，start，dataa[31:0]，datab[31:0]，done，result[31:0]。其中除了reset，clk，clk_en三個信號外，其他信號都是可選的，要根據(jù)具體的應(yīng)用選擇。本設(shè)計中校驗和計算指令用到了start，dataa[31:0]，done，result[31:0]。start信號作為數(shù)據(jù)有效信號，dataa[31:0]為數(shù)據(jù)輸入信號，當(dāng)校驗和計算完成時done信號有效，通知cpu讀取result端口上的數(shù)據(jù)，因此計算校驗和指令邏輯必須確保當(dāng)done信號有效時，result端口上的數(shù)據(jù)有效。

在sopc builder中添加校驗和計算指令，然后重新產(chǎn)生系統(tǒng)，再在quartusii中更新并編譯，在ide的重新編譯一次工程，系統(tǒng)庫中的“system.h”文件包含校驗和計算指令的宏定義如下：

#define alt_ci_cal_chksum_n 0x00000000

#define alt_ci_cal_chksum（a） __builtin_custom_ini（alt_ci_cal_chksum_n,（a））

用戶只需要在源文件中將計算校驗和部分使用上面的宏做相應(yīng)的替換就可以，對用戶來說這再簡單不過了，就像是調(diào)用一個子函數(shù)。由此可見，基于niosii軟核處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，具有一般嵌入式處理器不能比擬的優(yōu)勢。

3  軟件設(shè)計

協(xié)議棧使用了現(xiàn)在在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)很成熟的uip。如果使用altera提供的lwip協(xié)議棧，那么就得考慮其在嵌入式操作系統(tǒng)上的移植，這樣無疑會增加系統(tǒng)軟件設(shè)計的復(fù)雜度和代碼量。

設(shè)計的關(guān)鍵部分是uip協(xié)議棧在nios ii上的移植。針對niosii的特點，將uip做適當(dāng)?shù)男薷模筺iosii處理器的處理能力得到充分發(fā)揮，提高系統(tǒng)的性能。uip原來是針對8位處理器的，現(xiàn)在將其修改為16位，這樣理論上處理能力就提高了一倍，系統(tǒng)的性能也就提升了一倍。

根據(jù)tcp/ip模型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用網(wǎng)絡(luò)接口芯片lan9c111完成；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議解析在niosii中由嵌入式tcp/ip協(xié)議棧實現(xiàn)；應(yīng)用層由用戶根據(jù)需要編寫。各個模塊合起來共同完成網(wǎng)絡(luò)通信功能。

3.1  底層驅(qū)動程序的編寫

lan9c111芯片的底層驅(qū)動是由altera免費提供的，可以調(diào)用這些底層驅(qū)動來完成初始化、通信建立、監(jiān)聽等通信功能。這些底層驅(qū)動函數(shù)是已經(jīng)封裝好的，用戶不需要了解其細節(jié)就可以編寫網(wǎng)絡(luò)通信程序，但是為了進行高級的開發(fā)，必須對整個程序的工作機制有一定的了解。

幾個主要的底層驅(qū)動函數(shù)來完成啟動、復(fù)位和初始化phy、以太網(wǎng)packet的收發(fā)及中斷處理函數(shù)等工作：
　　static void r_lan91c111_enable（）：用于啟動芯片工作，使能發(fā)送和接收。
　　int  nr_lan91c111_reset（）：對芯片盡心復(fù)位。
　　static  int  r_lan91c111_init_phy（ ）：完成物理層芯片的初始化。
　　int nr_lan91c111_set_irq（）：設(shè)置芯片的中斷
　　上層的通信程序調(diào)用這些函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的控制，通信功能的實現(xiàn)以此為基礎(chǔ)。

3.2 通信軟件的實現(xiàn)

通信軟件完成設(shè)備之間通信的主要功能，主要是uip協(xié)議棧的。傳輸層實現(xiàn)了tcp和udp，這在軟件設(shè)計時就需要做不同的考慮，不同的數(shù)據(jù)傳輸需求要求使用不同的傳輸層協(xié)議，比如，實時性要求高的傳輸應(yīng)用就要求使用無連接的udp協(xié)議；對實時性要求不高并且要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘膽?yīng)用使用面向連接的、可靠的tcp協(xié)議可以保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

程序框架如下：
  　　  main（）
    　　｛
     　　 netif_init（）; // 網(wǎng)絡(luò)接口初始化
     　　 uip_init（）; // 協(xié)議棧初始化
     　　 arp_table_init（）; // arp 表初始化
     　　 netconn_new（） // 建立新的連接
    　　  netconn_bind（） // 綁定端口號
     　　 netconn_listen（） // 偵聽端口
    　　  while（1）
    　　  ｛
     　　   if （收到數(shù)據(jù)）｛
         　　  …… // 處理接收的數(shù)據(jù)
      　　   ｝
        　　 else if（發(fā)送數(shù)據(jù)）｛
        　　   …… // 發(fā)送數(shù)據(jù)
        　　 ｝
         　　else
         　　  …… // 返回準備下次處理
     　　  ｝
    　?。?br /> 　　
圖2是軟件處理流程。

圖2  通信軟件流程圖

4  結(jié)束語

采用niosii進行系統(tǒng)設(shè)計，由于sopc builder工具的強大系統(tǒng)開發(fā)功能再加上niosii ide集成開發(fā)環(huán)境，使得系統(tǒng)的設(shè)計變得簡單方便、可擴展性強，并且系統(tǒng)軟件的設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計同時進行，大大縮短開發(fā)周期。在該網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計中，使用了嵌入式領(lǐng)域非常成熟的uip，并且是開放源代碼的，所以對uip的移植非常的方便，只是對其進行修改以最大限度的發(fā)揮niosii處理器的特點，再加上簡單靈活的用戶自定義指令，對系統(tǒng)性能的提升起到很大作用。這個系統(tǒng)已經(jīng)在硬件上經(jīng)過了驗證，可以進行可靠、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，并已經(jīng)應(yīng)用于一個要求遠程網(wǎng)絡(luò)通信功能的數(shù)據(jù)處理機系統(tǒng)。