Virtex4在VxWorks下的UDP千兆网通信

　　当前，SoC向着面积更小、速度更高的方向发展，百兆网通信已不能满足人们的生产和工作需要，用千兆网通信成为工作中迫切的要求。用FPGA实现千兆网的通信，有二种模式可以选择：其一，编写一个IP软核；其二，用FPGA内嵌的MAC内核。方法一的灵活性大，但要实现并不容易，因此，赛灵公司将其归为收费IP；方法二中，MAC的三态可配置特性为实现千兆网通信提供了可能。本设计就是基于此内嵌的Ethernet MAC模块，在Vx-Works操作系统下成功实现了千兆网的通信。

　　1 Virtex4 FX系列FPGA中内嵌的千兆通信硬核架构

　　Virtex4 FX系列FPGA中内嵌了多个用于千兆通信的硬核。以XC4VFX20为例，如图1所示，它通过一个主机接口连接了2个EMAC核。2个EMAC可以一起使用，也可以只使用其中的一个。

　　Virtex4中嵌入的Ethernet MAC硬核主要特点：

　　◆支持半双工和(或)全双工操作；

　　◆设计符合IEEE 802.3-2002标准；

　　◆支持3种操作模式：1 Gb／s、100 Mb／s、10 Mb／s；

　　◆支持MII、GMII、RGMII、SGMII通信方式；

　　◆为不限长度的VLAN帧和JUMBO帧提供技术支持；

　　◆提供了可选的网络管理特性，包括基于每个分组的统计数据矢量和流程控制。

　　通过一个与处理器无关的接口，可以对TEMAC核进行配置和监控，其为用户选择适合其应用的理想处理器提供了附加的灵活性。

　　在1 Gb模式下，TEMAC支持千兆位级媒体独立接口(GMII)和降低千兆位级媒体独立接口(RGMII)。GMII是一个运行频率为125 MHz的字节宽并行SDR接口，而RGMII是一个运行频率为25 MHz的半位元组并行DDR接口，可以提供的总带宽为1 Gb／s。而且，在100 Mb／s和10 Mb／s模式下，TEMAC均支持MII接口。MII接口是4位宽，在100 Mb／s模式下其工作频率为25 MHz。在10 Mb／s模式下，MII接口的工作频率为2.5 MHz。

　　由于Virtex4中嵌入了Ethernet MAC硬核，同时，FX系列还嵌入了PowerPC，这样，就可以用PowerPC控制Ethernet MAC实现千兆网的通信。

　　2 VxWorks下BSP的移植

　　VxWorks 操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)。它采用微内核的结构，具有支持多种处理器、丰富的网络协议、良好的兼容性和裁剪性等特点，同时具有程序动态链接和下载的功能。自从20世纪80年代问世以来，以其不断推出的升级版本、高性能内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地，尤其以成功应用于火星探测车和爱国者导弹等高科技产品而闻名。VxWorks的板级支持包BSP (Board Support Package)是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，主要功能是屏蔽硬件，提供操作系统的驱动。具体功能包括：

　　◆单板硬件初始化，主要是CPU的初始化，为整个软件系统提供底层硬件支持；

　　◆为操作系统提供设备驱动和系统中断服务程序；

　　◆定制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；

　　◆初始化操作系统，为操作系统的正常运行做准备。

　　在嵌入式系统设计中，BSP的开发是一项非常复杂而繁琐的工作，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上减轻开发者的工作负担。EDK中的 BSP生成器(BSPgen)可以根据不同的微处理器、外设和RTOS组合自动产生用户可裁剪的BSP。它包含了系统所必需的支持软件，包括Boot代码、设备驱动和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驱动打包到BSP的子目录下，并且把Xilinx器件驱动与VxWorks及其 Tornado集成开发环境无缝集成，充分缩短开发周期。

　　但是，BSPgen生成的BSP只是一个固定的BSP模板，并不能正确地反映RAM／ROM的存储器映射，不支持用户通过BSPgen流程自定义的核／驱动等。因此还需要对BSPgen产生的BSP进行修改。

　　对BSP开发人员来讲，借助EDK的BSPgen，还必须要做以下几项工作：

　　①修改config.h和Makefile中的RAM、ROM地址及串口速率；

　　②修改sysSerial.c，对串口进行正确的设置；

　　③增加不能与VxWorks无缝集成的器件的驱动文件，关键性中断、GPIO接口等；

　　④配置sysNet.c中的以太网参数，设置MAC地址；

　　⑤根据EDK中的配置，禁止或使能Cache；

　　⑥修改sysL ib.c，以显示正确的信息；

　　⑦设置主机IP地址。

　　经过以上修改之后，将新的BSP放在Tornado的安装目录Tornado_root＼target＼config下。根据这个BSP，在Tornado集成环境下生成一个新的VxWorks工程，然后就可以进行一般的嵌入式操作系统开发了。

　　EDK中RAM和ROM的地址映射如表1所列。

　　若为表1所列的工程，则在config.h和Makfile文件中要进行如下修改：

　　sysNet.c中通过以下语句定义了网络的MAC地址，必须根据真实的MAC地址进行修改，如本文的MAC地址：00：0A：35：01：88：25

　　sysSerial.c对串口进行初始化，因为要正确地指定串口ID，sysLib.c中可以显示VxWorks镜像的信息，因此也要进行相应的修改，如将

　　通过对EDK下牛成的BSP的修改，并在Tornado集成环境下生成正确的VxWorks镜像后，可以将其下载到FPGA中。观察串口的输出是否正确，可以进行相应的调试工作，以确定BSP的移植是正确的。

　　3 UDP服务器／客户端程序

　　对VxWorks BSP进行正确的配置和修改后，在useAppInit.c中书写自己的UDP服务器端程序。本设计用基于socket的UDP通信。

　　网络通信一般可通过socket实现。socket编程均采用客户机／服务器模式，VxWorks提供了标准的BSDsocket调用，支持UDP协议。UDP协议即数据传输协议，它允许创建和维护与远程计算机的连接，使其彼此可以进行数据传输。通信过程如图2所示。

　　服务器首先调用socket()建立一个套接字socket，然后调用bind()将套接字与一个本地网络地址(IP地址和端口号)捆绑在一起，以保证客户端正确识别。接着服务器再调用listen()使套接字处于被动的准备接收状态，同时规定它的请求队列长度，随后调用accept()来接收客户连接。服务器进程随即进入阻塞状态。客户与服务器的关系是不对称的。服务器先启动。然后在某时刻客户主动发出请求，服务器被动应答。

　　客户端程序首先调用socket()，这个函数产生用于与各分系统连接的套接口，并为每个套接口返回一个ID号。然后初始化一个套接口结构体，为其赋上该 ID号以及服务端的IP地址和端口号，并将其作为函数connect()的参数．调用connect()函数主动去连接服务端。

　　当服务端与客户端建立连接之后，就可以发送(write)和接收(read)数据。部分代码如下：

　　客户端应用程序在Windows下用VC实现，代码略。

　　4 实验结果

　　结合工程实际开发的顺序，分2步对VxWorks下千兆网通信进行测试：

　　第1步，在usrAppInit.c中打印hello the world，若出现图3所示窗口，则证明VxWorks内核已正确加载，以及BSP移植的正确性。程序跑到用户编写的usrAppInit.c。

　　第2步，对编写的UDP服务器／客户端进行测试，结果如表2所列。

　　5 结 论

　　由于FPGA中嵌入了PowerPC处理器及用于千兆网通信的Ethernet MAC，这样，为利用FPGA实现高速网络通信奠定了基础。本文在VxWorks操作系统下实现了UDP的千兆网通信，实测速度达到294.68 Mb/s，吞吐量达到近30％。