基于SoPC的网络模块设计与实现

摘要：在Altera公司提供的QuartusⅡ软件中开发网络模块控制器并在SoPC Builder中将其作为一个独立的IP核集成到SoPC中，通过软件驱动控制器实现网络模块收发等操作，发挥其设计灵活、集成度高、收发速度快等优点，为SoPC设计中网络功能提供了新的方案。
关键词：SoPC；NIOSⅡ；网络模块

    网络模块是网络设备中必不可少的部分，随着近年来物联网技术的高速发展，对互联设备的网络模块提出的更高要求。本文提出了基于NIOSⅡ的SoPC系统设计与实现的网络模块。
    美国Altera公司于2000年提出了SoPC(Systemon a Programmable Chip，可编程片上系统)技术，并同时推出了相应的开发软件QuartusⅡ及硬件平台FPGA (Field-Programmable Gate Array)。SOPC具备嵌入式处理器内核，具有丰富的IP核资源可供选择，拥有足够的片上可编程逻辑资源，提供处理器调试接口和FPGA编程接口，具有单芯片、低功耗、小封装等的优点。NIOSⅡ是Altera公司发布的软核处理器，其最大特点是可配置性较好，即用户可根据自已的标准定制处理器，按照需求选择合适的外设、存储器和接口。此外还可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。NiosⅡ软核处理器的原理框图如图1所示，其中对用户可见的单元电路包括存储器文件、算术逻辑单元(ALU)、与用户自定义指令逻辑的接口、异常控制器、中断控制器、指令总线、数据总线、指令及数据缓存、紧密耦合存储器接口电路及JTAG调试模块等。本设计通过Altera公司的FPGA芯片和NIOSⅡ嵌入式系统实现SoPC。

1 系统总体方案设计
    Altera公司的SoPC Builder为建立SoPC设计提供了标准化的图形环境，SoPC Builder包含在QuartusⅡ软件中。SoPC Builder帮助设计者自动完成系统集成的工作，ScPC提供了直观的图形用户界面(GUI)，帮助设计者添加和配置系统所需的外设(包括存储器、定制外设和IP模块)，根据设计者的要求将这些外设与处理器连接在一起，并自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制等工作。完成系统配置之后，SoPC Builder根据要求生成VHDL或Verilog HDL的系统级设计代码，并自动生成部分外设的硬件抽象层(HAL)代码和底层硬件驱动代码，为软件开发做好准备。图2所示为SoPC Builder为本次设计生成的系统模块的应用实例。

2 网络模块设计与实现
    SoPC系统设计流程如图3所示。设计者根据任务要求决定系统需求，用SoPC Builder建立自已的SoPC系统。在硬件方面，建立一个顶层设计文件，将生成的SoPC系统例化，并设置引脚分配、时序要求及其它设计约束，然后编译硬件设计并将FPGA设计下载到目标板中。在软件方面，用Nios IIIDE开发应用软什，在其中使用Nios II指令仿真器运行并调试软件。之后将可执行软件下载到目标板上的NiosⅡ系统中，在目标板上运行调试软件，并对设计的不足进行收进。
2．1 硬件模块设计
    系统选用Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F672C6，构建一个基于NIOS II的SoPC系统。本设计中，NIOS II CPU负责网络模块的控制、数据的传输以及I／O接口等功能，故选用高端NIOS II／f内核以满足所要求的功能，其约占1400—1800个逻辑单元，3个M4K RAM块，可以用来增加指令缓存。NIOS II／f的最好性能可达到101 MIPS将NIOS II处理器的复位地址设置为cfi_flash，其为非易失存储器Flash。将NIOS II处理器的异常地址设置为sdram_0，其为掉电易失的存储器SDRAM在“JTAG Debug Module”标签下选择Level 1，此时占用逻辑资源最少，为300—400逻辑单元，2个M4K RAM块。
    网络模块选用DAVICOM半导体公司的DM9000A DM9000A集成了带有通用处理器接口的MAC和PHY，支持100Base-T应用，带有auto-MDIX，支持10Mb／s和100Mb／s的全双工操作DM9000A既可支持8位处理器，也可支持16位处理器接口。DM9000A完全兼容IEEE 802．3u规范，支持IP／  TCP／UDP求和检验，支持半双工模式背压数据流控。

    DM9000A内部功能框罔如图4所示，左边带有AUTO—MDIX的收发器提供RJ45的接口，中间为MAC，右边则为处理器接口。处理器可通过这个接口实现对DM9000A的控制，具体引脚包括：
    ◇nRD读命令；
    ◇nWR写命令；
    ◇nCS／nAEN片选；
    ◇SD0～SD7数据总线(低8位)；
    ◇SD8～SD15数据总线(高8位)，在16位模式下才有用；
    ◇CMD命令类型。低电平时，读写INDEX口；高电平时，读写DATA口；
    ◇INT中断请求。
    SoPC的标准组件库中并不包含网络控制器DM9000A，在这里需要添加自定义组件。
在SoPC Builder中，用Create new component添加自定义组件。需要向其添加HDL设计文件DM9000A_IF.v，用来设计一个从Avalon总线到DM90 00A的一个逻辑接口，其代码所下：
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    接下来设置输入／输出信号，使DM9000A控制器的输入／输出信号与Avalon总线信号匹配。
    在QuartusⅡ中为系统创建一个如图5所示NIOSⅡCPU顶层文件，实现对NIOSⅡ系统例化。

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    DM9000A为本设计的核心，其模块如图6所示。其中：

    ◇iCMD用来区分是INDEX端口还是DATA端口，与处理器的地址线相连；
    ◇iCS_N片选信号；
    ◇iDATA写数据；
    ◇iRD_N读信号；
    ◇iRST_N复位信号；
    ◇iWR_N写信号；
    ◇oTADA读数据；
    ◇oINT中断请求信号；
    ◇其余信号均与Avalon总线相连。
    将编译后的文件下载到FPGA中，完成硬件部分的设计。
2．2 软件模块设计
    系统网络模块的控制是通过在集成开发环境NiosⅡIDE中用C语言编程实现的。
    为实现网络模块的通信功能，需存放MAC地址、IP地址以及目标MAC地址、IP地址，其数据结构均用无符号字符型数组实现，MAC地址为6个字节，IP地址为4个字节，如下：
   
   
    网络通信，最重要的就是协议的一致。本设计将各个协议字段存储在一维无符号字符型数组中，根据各个协议需求的不同而开辟不同的空间，如下：
   
    接收到的数据报存储在无符号字符型数组中，其中数组长度，即可接收的数据报长度MAX_PACKET_SIZE由头文件确定为1522，如下：
    unsigned char rcv [MAX_PACKET_SIZE]；
    ／／接收到的报文

    网络模块控制流程如图7所示。系统首先对网络控制器DM9000A进行初始化，包括ARP、内存、定时器等的初始化。初始化完成之后，通过特定接口设置网卡的IP地址、子网掩码、默认网关等信息。接下来，网络模块开启中断，以便接收网络控制器的中断信号。当接收到发送端或接收端的中断信号后，分别进入到各自的处理进程中进行处理。若没有中断，系统则进入等待状态。

3 系统测试
    由前面的工作，完成了网络模块软、硬件部分的设计。将设计下载到FPGA平台中，运行该系统。
    使用网线将FPGA的RJ45接口与路由器相连接。网络模块自动获取IP地址为192．168．0．101，子刚掩码为255．255．255．0，默认网关为192．168．0．1计算机也与同一个路由器相连，其获取的IP地址为192．168．0．100。这样计算机与FPGA中网络模块处于同一网段，互相之间可以通信。使用Ping命令，由计算机向网络模块的IP地址192．168．0．101发送500个包，无丢包现象，在这500个数据包中，返回速度在2～5ms之间。通过在NiosⅡIDE中编程实现网络模块Ping计算机，同样发送500个包没有丢包现象。
    将另一个同样的FPGA连接到路由器上，获取到IP地址192．168．0．102。在NiosⅡIDE中编程，IP地址为192．168．0．101的FPGA通过网络模块向IP地址为192．168．0．102的FPGA发送UDP格式的控制报文，可以顺利控制后者面板上LED灯的亮灭，延迟不超过1秒。
    本设计完成了基于SoPC的网络摸块的软硬件设计与调试，验证了网络馍块的工作状况，并在此基础上实现了基于网络的控制命令的传送，使SoPC设计能与PC机或其他各种电子设备进行数据交换。随着物联网技术的发展，基于网络的系统必将具有广阔的应用前景。