基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计

摘要：随着FPGA单片可编程容量的日益增大，传统的嵌入式系统设计正在逐渐被片上系统所取代，用于数据通信的以太网片上系统设计也越来越备受关注，另外，通信数据采集的可视化及数据处理的简单化要求也越来越明显，基于这两方面，本文简要介绍了如何利用Xilinx公司的MicroBlaze微处理器软核，以及相应的嵌入式操作系统Xilkemel和Lwip协议功能函数，采用片上系统设计理念，来设计完成基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信平台的数据传送交互系统。
关键词：片上系统；嵌入式以太网；现场可编程门阵列；Matlab通信平台

O 引言
    近年来，随着信息技术的发展，网络化日加普遍，以太网被广泛应用到各个领域。例如在数据采集领域，一些小型监测设备需要增加网络实现远程数据传输的功能，只要那些设备上增加一个网络接口并实现了TCP／IP协议，就可以方便地接入到现有的网络中，完成远程传输数据的相关功能，所以小型设备的网络技术一直是大家关注的焦点。另一方面，随着单片FPGA的逻辑门数不断增大，人们开始考虑将整个嵌入式系统集成到单片FPGA来实现，于是2001年Altera第一次提出了可编程片上系统(SOPC)概念，并且推出了第一款嵌入式处理器软核Nios以及之后的第二代Nios II以及相应的开发环境，此后Xilinx也推出了MicroBlaze微处理器软核，之后，随着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年正式提出了目标平台设计并且推出了相应的软件ISE 11，至此，嵌入式系统真正开始走向了片上系统，自然，这中间也包括了以太网的嵌入式片上系统。
    Matlab是美国MathWorks公司提供的商业数学仿真软件，其中Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于框图的设计环境，可以实现数据的仿真和处理，它提供了一种快速、直接明了的方式，用户可以实时看到系统的仿真结果并且进行相应的数据处理。基于以上事实，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计和研究，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微处理器软核，利用它和相应外设IP核一起完成SOPC的设计并且完成与Simulink数据的传输，最后动态显示以太网传输的数据。

1 系统硬件平台设计
1．1 系统总体硬件的结构
    在系统硬件结构中，考虑到系统复杂度和成本因素，我们选用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作为主控制芯片，该芯片为Xilinx的Spartan系列的低端FPGA，采用了65nm技术，在集成度和性价比上都要优于先前Spartan系列的FPGA，系统外挂一块Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作为外扩SDRAM，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作为数据存储器，而10／100Mb以太网我们采用单片PHY芯片加Xilinx的MAC软核来实现。该方案将物理层和MAC分开，将MAC用IP来实现，从而整个系统更加灵活。其中单片PHY芯片有BroadCom公司的BCM5221，Intel公司的LXT971A、LXT972A，SMSC公司的DM9000、LAN83C185等。这里我们采用SMSC公司的LAN83C185来实现物理层。
1．2 系统整体框图
    虽然Matlab中可以采用相关命令创建一个TCP／IP的模块进行数据的接收和显示，但是与Simulink中TC／IP模块相比较为繁锁，因此选择用后者动态实时显示从以太网发送过来的数据，并可进行相应的处理。本设计主要是完成发送正弦函数数据并在Simulink的接收模块中显示正弦函数图形。系统的整体的框图如图l所示：

2 MicroBlaze的系统硬件配置和Simulink接收块的搭建
2．1 MicroBlaze和系统设计
    Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式软核是业界优秀的32位软处理器IP核之一，它支持CroConnect总线标准设计集合，具有兼容性和重复利用性，最精简的核只需要400个左右的Slice，MicroBlaze软核内部采用哈佛结构的32位指令和数据总线，便于各个外设和它们之间的信号传输及相应的控制，它有下面的几种互联总线：
    (1)处理器本地总线(PLB)。可以将多个PLB主设备和PLB从设备连接到整个的PLB系统中。
    (2)高速的本地存储器总线(LMB)。用来取RAM块的同步总线。
    (3)XCL总线。是一个高性能的外部内存访问总线。
    (4)FSL总线。用于点对点的单向通信总线。[!--empirenews.page--]
    使整个系统的软硬件设计，包括系统硬件平台的搭建，驱动程序的配置，Xilkernel操作系统内的核参数配置，软件库的设置，文件系统的生成及外设控制芯片接口配置都可以在EDK(Embedded Development Kit)内完成。EDK的整体开发流程如图2所示。

    整个系统设计具体操作如下：
    (1)在EDK的集成开发环境XPS(Xilinx Platform Studio)中，处理器功能单元，系统外围总线结构，终端外设以及相应的地址映射和默认的驱动等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系统的基本构建中其主要设置如下：使用Single Processor System系统，Local Memory为16k，系统时钟频率为62．5MHz，定时器和以太网中断必须连接到处理器的中断控制器上，另外，本设计还用到的GIOP、Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等，其间用到的IP驱动，都是用xilinx提供IP的自带默认的相应驱动。
    (2)最后XPS自动生成微处理器硬件规范MHS(Microprocessor Hardware Specification)和描述软件系统结构的微处理器软件规范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相关的文件。这些文件都可以手动进行修改，从而是使整个系统更加的优化。
    (3)生成的系统最后生成bit文件，把其文件下载到目标板子上。
2．2 Simulink接收模块的搭建
    Simulink中TCP／IP中的接收模块，其终端的地址，端口的设置要与FPGA上的以太网的IP地址、端口的设置一致，这就为TCP／IP接收模块指定了要通信的地址即完成了接收模块TCP／IP的相关配置，也就完成了FPGA与Matlab中以太网通信的接收模块的搭建，在Simulink中，具体的模块设计如图3所示。

    通信数据通过此模块可以较直观地用图形动态显示。

3 系统的软件平台及网络协议的实现
3．1 软件内核和协议
    本设计主要选择了Xilinx公司的精简嵌入式操作系统Xilkemel，它是Xilinx提供的用于EDK系统的小型、模块化的嵌入式操作系统内核，它支持Microblaze核，与EDK形成的硬件系统无缝连接，具有可定制、CPU资源占用较小、运行速度快等特点，是MicroBlaze嵌入式软核的理想操作系统，其整体的开发流程如图4所示。

    网络通讯协议我们采用TCP／IP协议，该通讯协议采用四层(应用层、传输层、互连网络层、网络接口层)层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求，系统分为两部分实现：
    第一部分为物理层和MAC层，本设计中用LAN83C185来实现物理层，MAC层由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核，并作为整个MicroBlaze系统硬件的一部分在FPGA内实现。
    第二部分是运输层和网际层，主要由软件代码实现。TCP／IP网络通信软件允许用户远程注册到另一个系统中，并从一个系统复制文件到另一个系统，虽然Xilkernel本身不带有文件处理系统和TCP／IP协议栈，但它与Xilinx公司的LwIP库具有良好的接口，加上系统支持库LibXilMFS可形成一个比较完整的嵌入式系统，其特点是内核配置功能都已集成到EDK工具中，使用简单、方便，内核启动静态创建线程，而动态分配内存，可加载或卸载不同功能模块来实现内核的高扩展性。
    本设计主要采用LwIP3．OOb(Light weight Internet Protocol stack)协议模块套用于嵌入式系统的开放源代码TCP／IP协议栈中，LwI-P3．00b提供二种API模式：Socket模式和RWA模式，由于Socket模式开发难度不大，只要启动Xemacif input thread线程，从中断响应的过程中接收数据包并转移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考虑我们决定上层协议部分协议模块采用Socket模式，因此需在MSS文件里对LwIP进行例化(包括相应的LwIP参数设置)从而减少存储器利用量和代码编写。
3．2 网络通信程序的实现与设计
    网络通信程序主要完成从超极终端发送数据，传到Simulink中的ICP／IP接收模块。下面是主要的网络通信程序：
    Server_thread()函数是Xilkernel的第一个线程，初始化LwIP协议栈。
    ServerAppThread()函数可完成MAC、IP、掩码以及网关的配置，并完成Socket应用。[!--empirenews.page--]
    以太网的配置如下：

    当服务器程序开始运行时，主进程就创建一个套接字，

   
并通过bind函数绑定，用函数listen进行监听，之后用lwip_accept进行接收，然后用sys_thread_new启动进程，processGet和Process Command函数分析数据包的内容并应用web serber定义的相关的命令实现相关的应用，write函数实现数据的发送，完成Socket服务并把数据发送给客户端。
    Simulink中用TCP／IP模块，remote address参数设定为(211、80、192、237)，端口设定为80，即与IP4_ADDR(＆ipaddr，211，80，l92，237)和address．sin port=htons(80)设为一致，这样就保证了接收与发送网络地址和端口的一致性，保证数据传输的可实现性。设计发送的数据为：t=0：0．25：10，Y=sin(2*pi／10*t)，数据列表如下：

    对应的Simulink接收模块的数据图形显示如图5所示。

    由图5我们可以看出，接收到的数据和发送的数据基本一致。

4 结论
    本文研究了TCP／IP通信协议在Xilinx公司FPGA上的实现，介绍了其软硬件的系统组成及原理，通过建立一个例子加以说明和应用这个设计平台，证明了此平台设计可行性，并且完成了FPGA与Matlab的通信，为数据的实时显示及实时控制提供了很好的平台和设计方法，本设计也完成了CPU软核设计的实现，其功能可根据需要进行定制，非常灵活，不但引入了软核处理器和嵌入式操作系统Xilkernel，而且应用了Lw-IP_300b栈，使用大量的IP核，这样大大降低了系统平台的复杂度，缩短了开发的周期，其软硬件部分的设计分离的设计架构，使得整个系统修改和重构更加方便，真正实现了所谓的片上系统。而本设计采用Matlab接收数据，并且可利用其强大的数据采集、处理、仿真、实时动态显示的功能来更好完成数据分析研究。