基于NiosII軟核的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信電路設(shè)計(jì)

王勇等

【摘 要】越來(lái)越多的基于NiosII軟核的嵌入式系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。ENC28J60是一種高集成度的以太網(wǎng)接口芯片，內(nèi)置了10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件、媒體訪問(wèn)控制器，以及SPI串行接口，十分適合嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。主要介紹了ENC28J60的內(nèi)部構(gòu)成、基于NiosII的網(wǎng)絡(luò)通信電路的軟硬件設(shè)計(jì)，以及電路調(diào)試過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】NiosII；網(wǎng)絡(luò)通信；ENC28J60；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

以太網(wǎng)接口具有兼容性好、傳輸速度高等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)通信中使用廣泛?；贜ios軟核的嵌入式系統(tǒng)在航空航天、武器裝備、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用普遍。嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)通常采用以太網(wǎng)連接方式，因此采用FPGA技術(shù)，調(diào)用NiosII軟核處理器，通過(guò)該處理器對(duì)通信芯片ENC28J60進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信是必要的。

1 ENC28J60芯片功能及內(nèi)部構(gòu)成

ENC28J60是Microchip推出的一款集成有SPI串行接口的以太網(wǎng)控制器，由于它引腳數(shù)少、成本低、高效易用，所以常常用于嵌入式以太網(wǎng)解決方案中。ENC28J60只有28個(gè)引腳，其物理層和數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)層的MAC子層符合IEEE 802.3規(guī)范，內(nèi)部有DMA模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速吞吐。ENC28J60芯片內(nèi)部由7部分模塊構(gòu)成：（1）SPI總線接口：用于實(shí)現(xiàn)ENC28J60和主控制器的通信，主要由移位寄存器，波特率發(fā)生器，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)構(gòu)成；（2）總線接口：連接控制寄存器和SPI電路，負(fù)責(zé)解析SPI接收的數(shù)據(jù)和命令；（3）控制寄存器：包括EIR、EIE、ECON1、ECON2等寄存器，通過(guò)對(duì)它們的設(shè)置，可以對(duì)ENC28J60的工作情況進(jìn)行監(jiān)視和控制；（4）RAM雙口緩沖器：對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。（5）判優(yōu)器：對(duì)RAM緩沖器進(jìn)行訪問(wèn)控制，對(duì)DMA、接受和發(fā)送請(qǐng)求應(yīng)答；（6）MAC模塊：介質(zhì)訪問(wèn)控制，能夠控制與物理層連接的物理介質(zhì)；（7）PHY模塊：作為物理層模塊，能夠?qū)﹄p絞線上的模擬信號(hào)進(jìn)行編碼/譯碼。

2 基于NiosII的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，NiosII是一個(gè)可配置的通用32位嵌入式處理器，以軟核形式實(shí)現(xiàn)，具有高度的可配置性和靈活性。NiosII軟核處理器的構(gòu)建如下：⑴新建quartus工程和原理圖文件，點(diǎn)擊運(yùn)行SOPC builder，在彈出的窗口中新建一個(gè)CPU核；⑵建立SDRAM模塊，在SOPC Builder下的SDRAM選項(xiàng)將數(shù)據(jù)寬度調(diào)整到16bit，因?yàn)樵O(shè)計(jì)使用的SDRAM芯片是16位的；⑶建立EPCS控制器，將flash下的EPCS Serial flash controller添加進(jìn)軟核；⑷添加JTAG UART，用于軟件調(diào)試。上述過(guò)程完成后，一個(gè)基本的NiosII處理器就完成了構(gòu)建。然后需要對(duì)軟核處理器進(jìn)行設(shè)置，完成后進(jìn)行編譯，編譯成功后返回原理圖編輯頁(yè)面，調(diào)出NiosII處理器放置在設(shè)計(jì)界面上。

接下來(lái)為Nios處理器添加SPI外設(shè)接口和PLL模塊：⑴雙擊新建的NiosII處理器元件進(jìn)入SOPC Builder 界面，選擇SPI接口模塊；確定SPI時(shí)鐘速率為10Mhz，數(shù)據(jù)寬度為8bit；構(gòu)建兩個(gè)PIO，一個(gè)作為SPI的CS口，一個(gè)作為中斷口。⑵PLL為鎖相環(huán)模塊，它具有倍頻的功能，因?yàn)閮?nèi)嵌CPU和SDRAM的運(yùn)行時(shí)鐘為100Mhz，而FPGA的板載時(shí)鐘為50Mhz，所以需要添加PLL模塊對(duì)板載時(shí)鐘進(jìn)行2倍頻。

2 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試結(jié)果

軟件設(shè)計(jì)主要包括：（1）主程序編寫(xiě)：主要是對(duì)ENC28J60初始化程序和服務(wù)程序的調(diào)用，先定義一個(gè)數(shù)組，把6個(gè)字節(jié)的MAC地址添加進(jìn)去，調(diào)用ENC28J60的初始化程序，再調(diào)用服務(wù)程序即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。（2）ENC28J60初始化程序的編寫(xiě)：將CS片選信號(hào)置高電平，軟件復(fù)位；對(duì)緩沖區(qū)初始化，主要是對(duì)接收和發(fā)送緩沖起始地址、末尾地址以及接收/發(fā)送指針指向地址的設(shè)置；對(duì)接收過(guò)濾器的設(shè)置，主要是將與設(shè)置的MAC地址不匹配的數(shù)據(jù)丟棄，校驗(yàn)使能，格式是否匹配的配置等；MAC初始化：接收使能，暫停接收、發(fā)送控制幀使能，使能流量控制，自動(dòng)填充CRC配置，全雙工的配置；最大幀設(shè)置，MAC地址的寫(xiě)入，以及對(duì)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和讀寫(xiě)操作。（3）寫(xiě)服務(wù)程序的編寫(xiě)：首先是對(duì)IP、ARP、UDP、TCP的初始化，并把目標(biāo)MAC地址、IP地址、端口號(hào)進(jìn)行輸出在控制臺(tái)上顯示。IP層的初始化主要包括判斷是否接收到有效的數(shù)據(jù)包，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，對(duì)tcp、udp端口的設(shè)置并進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，這些函數(shù)都是從ip_arp_udp_tcp.c文件中調(diào)用的，而該文件程序可以根據(jù)參考LwIP協(xié)議進(jìn)行編寫(xiě)。程序?qū)懞煤髣t對(duì)工程進(jìn)行整體編譯，然后進(jìn)行程序下載。

在進(jìn)行功能調(diào)試過(guò)程中下載口選擇JTAG，因?yàn)锳S下載口是把程序固化到配置芯片中。將編譯好的.sof文件通過(guò)JTAG口下載到FPGA芯片中，用網(wǎng)絡(luò)交叉線連接PC機(jī)和所設(shè)計(jì)好的嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)控制臺(tái)可以看到，連接成功并顯示目標(biāo)主機(jī)的MAC地址、IP地址、TCP端口號(hào)。打開(kāi)TCP&UDP測(cè)試工具軟件，構(gòu)建服務(wù)器，根據(jù)Nios II IDE控制臺(tái)得到的目標(biāo)主機(jī)IP地址和端口號(hào)，進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置，完成后點(diǎn)擊連接。發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)給目標(biāo)主機(jī)，完成后根據(jù)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部的軟件服務(wù)程序，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和回發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能工作穩(wěn)定。

3 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)通信芯ENC28J60內(nèi)部集成了SPI接口電路，可以進(jìn)行高速、全雙工、同步通信。同時(shí)，該芯片內(nèi)部還集成了DMA 模塊， 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速吞吐。NiosII技術(shù)具有編程靈活，集成度高、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。把以太網(wǎng)和NiosII軟核技術(shù)結(jié)合在一起，可以設(shè)計(jì)出通信速度高、性能穩(wěn)定、外形小巧的網(wǎng)路通信電路，從而有效解決嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入難題。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：曹明明]