以太網(wǎng)以其良好的通用性和帶寬性能成為新一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的焦點(diǎn)， 目前， 關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案大部分是基于單片機(jī)的。由于單片機(jī)的速度慢， 而FPGA作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)， 則具有快速處理數(shù)據(jù)的能力。因此， 在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入FPGA技術(shù)， 可以使嵌入式以太網(wǎng)的速度更快。為此， 本文介紹基于FPGA 的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111 型自適應(yīng)10Mb/100Mb嵌入式以太網(wǎng)的接口電路與實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 FPGA的特點(diǎn)

　　本系統(tǒng)的主控芯片采用ALTERA公司CycloneII系列的EP2C35F484。FPGA內(nèi)部集成有鎖相環(huán)，可以把外部時(shí)鐘倍頻， 其核心頻率可以到幾百兆， 同時(shí)具有豐富的IO資源， 可以方便連接外設(shè)。FPGA的并行執(zhí)行程序方式具有處理更復(fù)雜功能的能力， 而且內(nèi)部嵌有SOPC和DSP。可編程SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)， 具有靈活的設(shè)計(jì)方式， 而且可裁剪、可擴(kuò)充， 同時(shí)軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。

　　1.2 嵌入式以太網(wǎng)控制器LAN91C111

　　以太網(wǎng)控制芯片所選用的SMSC 公司LAN91C111芯片是專門用于嵌入式產(chǎn)品的10M/100M第三代快速以太網(wǎng)控制器。該器件具有可編程、CRC校驗(yàn)、同步或異步工作方式， 且具有低功耗CMOS設(shè)計(jì)和小尺寸等特點(diǎn)， 是設(shè)計(jì)嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的良好選擇。LAN91C111的原理框圖如圖1所示。

圖1 LAN91C111的原理框圖

　　LAN91C111集成了CSMA/CD (帶碰撞的載波偵聽多路接入) 協(xié)議的MAC (媒體層) 和PHY (物理層)。其主要特點(diǎn)是支持IEEE802.3/802 U以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、自適應(yīng)10M/100M， 全雙工/半雙工收發(fā)方式、有8KB的片上FIFO存儲(chǔ)器、支持8位或16位或32位總線方式、支持先進(jìn)的傳輸隊(duì)列管理、有串行EEPROM選擇性配置口、并支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、支持全雙工交換式以太網(wǎng)、增強(qiáng)式能量管理功能和低功耗的CMOS設(shè)計(jì)。

　　總線接口模塊是由數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以8位、16位、或32位形式與外部數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。LAN91C111以太網(wǎng)控制器遵循IEEE頒布的802.3 以太網(wǎng)傳輸協(xié)議， 內(nèi)部集成有8KB 的RAM， 可通過內(nèi)部的內(nèi)存管理模塊、仲裁模塊和DMA共同管理數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。其仲裁器監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流， 一旦發(fā)生阻塞， 仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系； 一方面控制內(nèi)存控制單元， 實(shí)現(xiàn)總線的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。

　　LAN91C111內(nèi)部的RAM可以緩存數(shù)據(jù)， 在全雙工工作模式下， 數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10M/100Mbps。

　　所有內(nèi)部寄存器的初始值均放在EEPROM中， 自舉時(shí)可完成自動(dòng)初始化。在數(shù)據(jù)傳輸過程中， 若以10Mbps速率傳輸， 則可采用Manchester編碼，并以兩層曼徹斯特代替三電平， 且沒有擾頻器和解擾頻器； 若以100Mbps速率傳輸， 則先將發(fā)送到RAM中的數(shù)據(jù)包以包號(hào)的形式存放在FIFO的發(fā)送隊(duì)列中， 然后按照規(guī)則逐個(gè)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到PHY模塊進(jìn)行4B-5B編碼， 發(fā)送數(shù)據(jù)端可將通過擾頻器整理后的4B-5B數(shù)據(jù)包變換成MLT-3后輸出。而在接收時(shí)， 則將數(shù)據(jù)包復(fù)制并發(fā)送到解擾頻器進(jìn)行整理， 然后再發(fā)送到4B-5B解碼器進(jìn)行解碼。

　　1.3 硬件連接

　　本設(shè)計(jì)在FPGA芯片EP2C35中嵌入了32位的NIOS II處理器。由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的， 因而其外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。圖2所示是其硬件連接圖， 圖中的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線分別與FPGA相連。由于采用的是16位數(shù)據(jù)傳輸方式， 因此只用到數(shù)據(jù)總線的低16位。控制線中的AEN為片選信號(hào)， INTR0為外部中斷信號(hào)， WR為讀寫信號(hào)， BE0-BE1為字節(jié)選擇端。

　　LAN91C111 中的ADS、LCLK、CYCLE、W/R、RDYRTN 信號(hào)應(yīng)均加一個(gè)1kΩ 的上拉電阻。

　　TG100-S050N2是以太網(wǎng)的變壓濾波器。TX+ 、TX- 、RX+ 、RX- 分別與LAN91C111 的TPO+ 、TPO-、TPI+、YPI-相連。TG100-S050N2的CMT端也應(yīng)接一個(gè)1kΩ的上拉電阻。RJ45 的TD+ 、TD-、RD+、RD-分別與TG100-S050N2的TD+、TD-、RD+、RD-相連。在TG100-S050N2的TCT和RCT亦應(yīng)分別接一個(gè)75Ω的電阻和1nF的濾波電容。這樣即可在控制線的作用下完成FPGA與LAN91C111之間的數(shù)據(jù)通信。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　ALTERA公司提供的硬件抽象層(HAL) 中封裝了系統(tǒng)中硬件的相關(guān)細(xì)節(jié)和驅(qū)動(dòng)程序， 用戶可在HAL的基礎(chǔ)上方便地開發(fā)存儲(chǔ)等應(yīng)用程序。

　　NIOS II IDE環(huán)境中集成有μCOS II和LWIP， 其中LWIP必須在μCOS的支持下使用。μC/OS II是一種免費(fèi)公開源代碼， 結(jié)構(gòu)小巧， 而且具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的操作系統(tǒng)， 它可移植、可裁剪， 最多可管理64個(gè)任務(wù)， 其每個(gè)任務(wù)都擁有自己獨(dú)立的堆棧， 大部分源碼可使用ANSI C語言編寫， 整個(gè)軟件部分可在NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境下完成。由于程序的內(nèi)容較多， 本文著重介紹LAN91C111的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)三個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)方法。

　　2.1 初始化

　　ALTERA提供有LWIP的NIOS II 端口， 其源代碼包含在NIOS II 開發(fā)工具包中。LWIP可為NIOS II處理器提供對(duì)以太網(wǎng)連接棧的快速、開源地訪問。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封裝， 提供有標(biāo)準(zhǔn)的、文檔說明齊全的套接字API。LWIP協(xié)議棧的主要接口是標(biāo)準(zhǔn)的套接字接口。除了套接字接口以外， 還可調(diào)用lwip_stack_init ()函數(shù)和lwip_devices_init () 函數(shù)來對(duì)堆棧和驅(qū)動(dòng)程序初始化。通過HAL 系統(tǒng)代碼可調(diào)用init_done_func ()、get_mac_addr () 和get_ip_addr() 函數(shù)來設(shè)置MAC地址和IP地址。為了初始化堆棧， 在調(diào)用OSStart啟動(dòng)μC/OS II 調(diào)度程序之前應(yīng)調(diào)用函數(shù)lwip_stack_init ( ) ， 其原型為voidlwip_stack_init ( int thread_prio， void(*init_done_func) (void*)， void *arg)。堆棧初始化后， 還必須調(diào)用函數(shù)init_done_func ()， 而該函數(shù)必須調(diào)用函數(shù)lwip_devices_init () 。利用函數(shù)lwip_devices_init () 可以對(duì)在system.h中定義的所有已安裝的以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)， 若返回一個(gè)非0值則表示注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后，TCP/IP棧即可使用， 之后便可在程序中創(chuàng)建任務(wù)。該函數(shù)的參數(shù)是接收線程的優(yōu)先級(jí)。LWIP系統(tǒng)碼在設(shè)備初始化過程中， 可通過lwip_devices_init ( ) 函數(shù)調(diào)用函數(shù)get_mac_addr ( ) 和get_ip_addr ()。用戶通過編寫這些函數(shù)， 可在系統(tǒng)中將MAC和IP地址存放在任意位置， 從而代替在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中固定位置的硬編碼， 并增加系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計(jì)時(shí)， 可以將MAC地址存放在Flash存儲(chǔ)器中， 也可以將MAC地址存放在片上內(nèi)嵌的存儲(chǔ)器中。當(dāng)所有的初始化都準(zhǔn)備好后即可調(diào)用OSStart () 以啟動(dòng)RTOS進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。這個(gè)過程需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型， 然后再按照所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)包。

　　2.2 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　　數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可采用中斷方式。中斷服務(wù)程序通過檢查L(zhǎng)AN91C111的中斷狀態(tài)寄存器來判斷是發(fā)送中斷請(qǐng)求還是接收中斷請(qǐng)求。初始化完成后， 即可創(chuàng)建任務(wù)， 建立套接字， 綁定端口， 綁定完之后， 再*端口。當(dāng)LAN91C111接收到數(shù)據(jù)包時(shí)， 可由EPH模塊察看此數(shù)據(jù)包的目的地址， 若為本網(wǎng)卡的MAC地址或廣播地址或多播地址， 則把此數(shù)據(jù)包傳送到LAN91C111的RAM中， 并向處理器發(fā)送中斷， 由處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于采用的是TCP/IP協(xié)議， 接收數(shù)據(jù)應(yīng)調(diào)用read () 函數(shù)來接收建立連接的套接字中的數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)。發(fā)送過程則是由FPGA將數(shù)據(jù)傳送到LAN91C111， 再由LAN91C111將接收到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包， 并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 再將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中， 并向處理器發(fā)送中斷信號(hào)， 以表示數(shù)據(jù)傳送完畢。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過調(diào)用write () 函數(shù)可將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定連接的目的地址。

　　3 結(jié)束語

　　本文的整個(gè)設(shè)計(jì)使用了邏輯單元(LE) 5314個(gè)， 占用EP2C35F484芯片內(nèi)部資源的16%， 這充分體現(xiàn)了FPGA資源的豐富性。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常選用單片機(jī)和低速網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方案， 這在實(shí)際應(yīng)用中， 網(wǎng)絡(luò)速度相對(duì)較慢， 而本設(shè)計(jì)中選用高速的以太網(wǎng)控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，并可滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的需求。另外， 基于FPGA的NIOS II方案， 還可根據(jù)實(shí)際需要添加不同IP， 這也體現(xiàn)了SOPC的靈活性與可裁減性。