楊定定 施慧彬 錢巨 李依桐

摘要：隨著FPGA在嵌入式領(lǐng)域的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)成為嵌入式系統(tǒng)研究的重要分支。本文系統(tǒng)地研究了FPGA網(wǎng)絡(luò)通信，并成功運用Xilinx開發(fā)平臺EDK構(gòu)建一個基于總線AXI4的嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件程序設(shè)計，即采用MicroBlaze微處理器軟核，Xilkernel嵌入式操作系統(tǒng)和lwip以太網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)了通過Web瀏覽器對開發(fā)板的實時控制和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳的實時顯示。這一設(shè)計在Spartan 6 Atlys開發(fā)平臺上得以實現(xiàn)和驗證，為需要使用該系列開發(fā)板進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計提供了很好的指導(dǎo)作用。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/164385.htm

關(guān)鍵詞：FPGA；總線AXI4；lwip以太網(wǎng)；實時控制

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.006

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（NSFC60903026）

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和Internet的普及，越來越多的嵌入式系統(tǒng)引進(jìn)Web Server和遠(yuǎn)程等概念。以太網(wǎng)以其速度快、成本低，成為嵌入式Web Server和遠(yuǎn)程文件傳輸接入網(wǎng)絡(luò)的主要方式。因此，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的嵌入式Web Server和遠(yuǎn)程文件傳輸具有十分重要的實際意義。

本設(shè)計采用Spartan 6 XCSLX45芯片Atlys FPGA開發(fā)板，其具有容量大、資源多、性價比適中等特點，此外Atlys配備了各種高端接口，包括千兆以太網(wǎng)、HDMI視頻輸入輸出、128MByte DDR2存儲陣列、AC97 Codec及USB接口，其采用的是Marvell公司的千兆以太網(wǎng)（GbE）PHY收發(fā)器88E1111，支持GMII接口，GMII接口支持三種速度模式10/100/1000Mbit，這為本文的以太網(wǎng)通信提供了網(wǎng)絡(luò)通信條件。同時，AXI總線是ARM高級微控制器總線結(jié)構(gòu)的一部分，擁有高產(chǎn)率、高靈活、廣泛IP可用性等優(yōu)勢[1]。本文采用AXI4總線結(jié)合Atlys上的GMII接口，設(shè)計并實現(xiàn)了lwip以太網(wǎng)通信，為今后在嵌入式通信領(lǐng)域的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的設(shè)計

本文將會從系統(tǒng)硬軟件兩方面的設(shè)計和實現(xiàn)進(jìn)行闡述，本設(shè)計是基于Spartan 6 Atlys硬件開發(fā)平臺，利用Xilinx ISE 13.2軟件開發(fā)平臺進(jìn)行硬軟件的設(shè)計，由于EDK集成的XPS（Xilinx Platform Studio）硬件設(shè)計平臺和SDK（Xilinx Software Development Kit）軟件設(shè)計平臺，本文的lwip以太網(wǎng)通信嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計將會分成硬軟系統(tǒng)設(shè)計兩部分進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互是通過千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)的[2]，下面對關(guān)鍵IP核：AXI_DMA、Ethernet IP核[3]進(jìn)行簡要的介紹。

E T H E R N E T _ d m a即A X I _ DMA（AXI直接內(nèi)存訪問），是Xilinx嵌入式開發(fā)套件（EDK）中自帶的IP軟核，它為內(nèi)存和AXI流型目標(biāo)外圍設(shè)備提供高帶寬的直接內(nèi)存訪問，它通過從CPU上卸載數(shù)據(jù)移動任務(wù)來體現(xiàn)分散/收集功能，如AXI以太網(wǎng)之間提供高速數(shù)據(jù)移動。

Ethernet核通過32位的AXI4-Lite接口子集為內(nèi)部寄存器提供了一個控制接口，AXI4-Lite接口支持單拍讀和寫的數(shù)據(jù)傳輸（無突發(fā)傳輸）。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)接口都是通過AXI4-Stream接口。AXI Ethernet通過AXI4-Lite總線接口連接到MicroBlaze處理器內(nèi)核上，允許訪問寄存器，同時32位AXI4-Stream總線可供以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在AXI Ethernet上發(fā)送和接收。在硬件沒有負(fù)載條件下，該AXI4-Stream總線提供TCP/UDP的部分校驗和。

由于本設(shè)計中使用Spartan 6 Atlys系列，本文為該系列的網(wǎng)絡(luò)通信研究提供的方法：使用Soft Ethernet IP核，設(shè)置使用GMII模式，該IP核是soft TEMAC需要特定的license，可在官方網(wǎng)站上下載。Ethernet核可以計算發(fā)送TCP/UDP校驗和以及驗證發(fā)送TCP/UDP校驗和，使用此邏輯可以顯著地提高最大以太網(wǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸率，同時降低處理器對以太網(wǎng)任務(wù)的利用率。系統(tǒng)的MicroBlaze微處理器通過AXILITE總線接口訪問AXI DMA，分散/收集引擎從MCB_DDR2中查找緩沖區(qū)描述符，然后協(xié)調(diào)AXI Ethernet和MCB_DDR2之間的主要數(shù)據(jù)傳輸。例如MCB_DDR2中的參數(shù)設(shè)置：

P A R A M E T E R C _ I N T E R C O N N E C T _ S 0 _ A X I _ MASTERS = microblaze_0.M_AXI_ DC & microblaze_0.M_AXI_IC & ETHERNET_dma.M_AXI_SG & ETHERNET_dma.M_AXI_MM2S & ETHERNET_dma.M_AXI_S2MM

以及Ethernet中的接口設(shè)置：

BUS_INTERFACE AXI_STR_ TXD = ETHERNET_dma_txd

BUS_INTERFACE AXI_STR_TXC= ETHERNET_dma_txc

BUS_INTERFACE AXI_STR_RXS= ETHERNET_dma_rxs

BUS_INTERFACE AXI_STR_ RXD = ETHERNET_dma_rxd

通過上述設(shè)置和IP核的加入，一個基于AXI4總線lwip以太網(wǎng)嵌入式硬件系統(tǒng)搭建完畢，在Xilinx XPS硬件系統(tǒng)設(shè)計工具中修改相應(yīng)的ucf約束文件，即可通過Hardware->Generate Bitstream產(chǎn)生比特流文件供后續(xù)軟件系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)用。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本文的軟件系統(tǒng)主要分為三部分：文件系統(tǒng)的建立、FTP遠(yuǎn)程傳輸文件設(shè)計以及HTP（超文本傳輸協(xié)議）服務(wù)[4]利用網(wǎng)頁對Atlys開發(fā)板進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示及實時控制的設(shè)計，從而使傳統(tǒng)控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/ IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心[5]的Internet控制設(shè)備。軟件系統(tǒng)采用Xilinx ISE集成的Xilkernel系統(tǒng)內(nèi)核，通過設(shè)置選擇相應(yīng)的庫文件，如本文所需要的lwip130（用于輕量級以太網(wǎng)的通信，TCP/IP協(xié)議的一種，并且了解了輕量級TCP/IP協(xié)議棧和一般操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧的區(qū)別[6]）和xilmfs（用于文件存儲系統(tǒng)）的庫文件，設(shè)計程序時調(diào)用所配置系統(tǒng)的庫文件、系統(tǒng)頭文件以及自定義的一些程序文件，從而設(shè)計出完整的lwip以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。

以下先介紹Xilkernel系統(tǒng)內(nèi)核主要參數(shù)的設(shè)置以及多線程的調(diào)用方式：

PARAMETER OS_NAME = xilkernel

PAR AMETER PTHRE AD_ STACK_SIZE = 8192

PA R A M E T E R C O N F I G _ PTHREAD_MUTEX = true

PARAMETER CONFIG_TIME = true

PARAMETER CONFIG_SEMA = true

PARMETER MAX_SEM = 50

PARMETER MAX_SEM_WAITQ= 20

PARAMETER ENHANCED_ FEATURES = true

PARAMETER CONFIG_YIELD = true

P A R A M E T E R S TA T I C _ PTHREAD_TABLE = （（run_kerl，1））//系統(tǒng)訪問入口函數(shù)run_kerl（）

Xilkernel系統(tǒng)使用多線程通信的方法，通過調(diào)用相應(yīng)的線程來實現(xiàn)對應(yīng)的功能，如下述建立初始線程，訪問network_thread（）函數(shù)：

PARAMETER PROC_INSTANCE= microblaze_0

PARAMETER NUMBYTES = 400000

PARAMETER BASE_ADDRESS = 0xC4000000

PARAMETER INIT_TYPE = MFSINIT_IMAGE

PARAMETER NEED_UTILS = true

END

最后，在xmd下執(zhí)行

d o w - d a t a F ： / E D K _ l a b / Ethernet13_2AXI/SDK/memfs/image. mfs 0xc4000000命令，下載文件系統(tǒng)鏡像到指定地址上，在軟件程序中調(diào)用xilmfs庫文件中定義的mfs_init_ fs（），mfs_exists_fle（）等庫函數(shù)即可確定文件系統(tǒng)是否成功建立，同時文件系統(tǒng)也可供后續(xù)FTP設(shè)計中的文件上傳和下載作存儲器使用。

FTP文件傳輸設(shè)計

本文主要是通過以太網(wǎng)上傳和下載文件到MCB_DDR2上的文件系統(tǒng)中，通過調(diào)用文件系統(tǒng)中的mfs_file_ open（），mfs_file_read（），mfs_file_ write（）以及mfs_fle_close（）等庫函數(shù)進(jìn)行文件系統(tǒng)的訪問。

以下是對lwip130庫文件的設(shè)置：BEGIN LIBRRY

PARAMETER LIBRARY_NAME = lwip130

PARAMETER LIBRARY_VER = 3.01.a

PARAMETER PROC_INSTANCE= microblaze_0

PARAMETER API_MODE = SOCKET_API

END

由以上的設(shè)置可以看出本文是基于Xilkernel內(nèi)核系統(tǒng)的Socket API編程來實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，設(shè)置MCB_DDR2作為文件存儲系統(tǒng)的存儲器進(jìn)行文件的存儲和調(diào)用。

case TFTP_RRQ：//讀文件

tftp_extract_filename（fname， args->request）；printf（"TFTP RRQ （read request）： %s＼r＼n"， fname）；

tftp_process_read（sd， &args->from， fname）；break；

case TFTP_WRQ：//寫文件

tftp_extract_filename（fname， args->request）；printf（"TFTP WRQ （write request）： %s＼r＼n"， fname）；

tfp_process_write（sd， &args->from， fname）；break；

上述TFTP上傳和下載程序就是采用Socket API編程，調(diào)用lwip130庫中的庫函數(shù)編程來實現(xiàn)文件傳輸。

系統(tǒng)的實現(xiàn)與驗證

將主機(jī)的I P地址設(shè)置為1 9 2 . 1 6 8 . 1 . 1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1，將Atlys FPGA上的以太網(wǎng)口與主機(jī)電腦的以太網(wǎng)口使用網(wǎng)線連接，以便進(jìn)行tftp文件上傳下載操作以及網(wǎng)頁對開發(fā)板的遠(yuǎn)程動態(tài)顯示，同時將開發(fā)板上的串口與主機(jī)的串口使用串口線進(jìn)行連接，可以進(jìn)行串口通信，也可以將相應(yīng)的操作結(jié)果顯示到主機(jī)屏幕上，圖3為命令操作界面，圖4為超級終端顯示指示信息和操作反饋信息，通過本機(jī)上的瀏覽器訪問192.168.1.10，如圖5為訪問顯示結(jié)果。

系統(tǒng)的驗證分成兩部分：運用網(wǎng)口通信的驗證和串口通信的驗證。

結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了利用Atlys開發(fā)平臺使用AXI總線設(shè)計lwip以太網(wǎng)通信的嵌入式系統(tǒng)，以及在Xilkernel系統(tǒng)上設(shè)置lwip130協(xié)議棧以及xilmfs文件系統(tǒng)協(xié)議棧開發(fā)嵌入式FTP以及web服務(wù)器的過程，開發(fā)的FTP具有遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ埽琖eb服務(wù)器具有遠(yuǎn)程動態(tài)控制FPGA開發(fā)板LED燈亮滅以及動態(tài)顯示撥碼開關(guān)的狀態(tài)的功能，正是由于網(wǎng)絡(luò)在嵌入式領(lǐng)域的引入，因此實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的嵌入式Web Server和遠(yuǎn)程文件傳輸具有十分重要的實際意義，本設(shè)計為今后更深入的嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程傳輸以及控制的研究做準(zhǔn)備，也為即將進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程重構(gòu)的實現(xiàn)提供網(wǎng)絡(luò)通信條件，是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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