王曉鵬

摘要：傳統(tǒng)的以太網(wǎng)解決方案，一般采用CPU連接物理層接口芯片，需要編寫以太網(wǎng)通信協(xié)議，對后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)和維護均提出較高要求；本系統(tǒng)采用SPOC技術(shù)，解決了上述缺點。方案中采用Altera 公司的Cyclone Ⅱ系列芯片EP2C20F484C6，添加Nios Ⅱ嵌入式處理器軟核作為控制CPU，利用帶有TCP/IP 協(xié)議棧W5100 來實現(xiàn)以太網(wǎng)接口；采用SPI串行總線接口方式，接口程序相對簡單。

關(guān)鍵詞：FPGA SOPC NiosⅡ W5100

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）12-0000-00

1 概述

SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活設(shè)計、可裁剪、可升級，具備軟硬件在系統(tǒng)上可編程的能力，Nios II 是一個用戶可配置的通用的32位RISC嵌入式處理器，該處理器以軟核的形式實現(xiàn)，Nios II 的開發(fā)包括硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩部分[1]。

2 基本結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有的局域網(wǎng)中所采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由于采用了很多新技術(shù)和獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，具有突出的速度性、擴展性和靈活性。由于采用FPGA集成Nios II片上系統(tǒng)控制W5100驅(qū)動芯片，可以完全淘汰單片機，節(jié)省印制板空間， 其主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示[2]：

圖1 W5100芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

W5100集TCP /IP 協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC 和PHY 為一體，支持ICP、UDP、IPV4、ICMP、ARP、IGMP 和PPPOE 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2]；內(nèi)置16 KByte 發(fā)送/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可快速進行數(shù)據(jù)交換；W5100還支持自動識別數(shù)據(jù)通信，采用全雙工或半雙工的傳輸模式，并兼容100 M 以太網(wǎng)絡(luò)。

3 硬件設(shè)計

本設(shè)計方案由于數(shù)據(jù)量不大，速度較小，未達到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值，所以采用SPI接口。而SPI的通信原理非常簡單，SPI主要采用主從方式工作，該種通信模式通常有一個主設(shè)備和多個從設(shè)備，一共需要4根線，實際上3根就可以，3根通信線主要用于單向傳輸時鐘，也就是半雙工方式，而且所有SPI設(shè)備是共有的，它們分別是主入從出MISO、主出從入MOSI、時鐘SK、片選CS[3]：

MISO------主設(shè)備通信數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

MOSI------主設(shè)備通信數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

SCK-------時鐘采集信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；

CS--------從設(shè)備產(chǎn)生使能信號，由主設(shè)備控制；

其中片選CS控制W5100芯片能否被選中，預(yù)先規(guī)定的使能信號為片選信號時對該芯片的操作才會有效，這樣我們可以在同一個總線上連接多個SPI設(shè)備。串行接口模式需要4個引腳來進行數(shù)據(jù)間的通信，分別是：SCLK、/SS、MOSI。W5100的SPI_EN引腳選擇SPI操作。

4 軟件設(shè)計

本設(shè)計方案采用Quartus II軟件來完成Nios II 的系統(tǒng)綜合、硬件優(yōu)化與適配、編程下載和硬件系統(tǒng)測試。應(yīng)用SOPC Builder軟件來實現(xiàn)Nios II 系統(tǒng)的配置、生成；而Nios II IDE則用于軟件開發(fā)、調(diào)試及運行。本設(shè)計采用SOPC創(chuàng)建了一個32位Nios II軟核，添加了三個模塊分別是CPU模塊、EPCS模塊、SPI以太網(wǎng)驅(qū)動模塊。

創(chuàng)建SPI模塊過程為：點擊進入SOPC BUILDER軟件，如圖2所示，點擊左圖中紅圈處（SPI），點擊后設(shè)置主從模式，我們選擇主?？刂品绞剑∕aster），從設(shè)備個數(shù)選擇1， SPI時鐘速率選擇10M，數(shù)據(jù)的位數(shù)選擇8；接著設(shè)置移位的方向，也就是說串行數(shù)據(jù)過來時是最高位先來還是最低位先來，我們選擇MSB first，這樣SPI核就設(shè)置好了[4]。

圖2

Nios II IDE則用于軟件開發(fā)、調(diào)試及運行。編寫W5100驅(qū)動程序并進行初始化后，W5100就能正常工作了。W5100初始化過程包括基本設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)信息校正，基本設(shè)置主要是對模式寄存器、中斷屏蔽寄存器、重發(fā)時間寄存器、重發(fā)計數(shù)寄存器四個寄存器進行設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)信息校正主要是對網(wǎng)關(guān)地址寄存器、 本機物理地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器和本機IP地址寄存器四個寄存器進行地址校正。

5結(jié)語

本設(shè)計方案已在實驗室實現(xiàn)了硬件電路的搭建，并且已經(jīng)調(diào)試通過；由于W5100芯片內(nèi)部自帶協(xié)議，使得驅(qū)動程序非常容易實現(xiàn)，用網(wǎng)口調(diào)試助手調(diào)試后，可以看到收發(fā)數(shù)據(jù)是一致的，F(xiàn)PGA SOPC硬件電路升級簡單又可剪裁，進一步驗證了本設(shè)計方案的有效性和可行性。

參考文獻

[1]儲娜姆.基于SOPC嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]，2006.

[2]W5100數(shù)據(jù)手冊[M].Version.1.1.6.2009-03.

[3]翁木云.FPGA設(shè)計及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[4]張旭東.基于.PCI.接口的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]，2000.