基于SOPC技術在嵌入式工業(yè)以太網中的應用

1 引言

隨著以太網在工業(yè)控制領域得到大規(guī)模應用，嵌入式的工業(yè)以太網系統也越來越多的滲入到了工業(yè)控制領域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業(yè)以太網系統已經有大量文獻報道。

以上這些系統的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網的應用情況，因為芯片設計公司并不完全熟悉工業(yè)以太網的需要。因此在實際應用當中經常出現硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發(fā)系統往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。SOPC技術能解決這個難題。

2 SOPC技術

可編程片上系統（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統:首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

2.1 SOPC

SOPC 結合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，實際上涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統（RTOS）為中心的軟件設計技術、以 PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統的調試設備，如:邏輯分析儀和數字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內實時調試工具;而在應對復雜設計方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現數字信號處理算法的強大輔助工具。

2.2 NIOS

NIOS 是Altera公司以RISC為基礎的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數據通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內的多種應用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內，實現完全可配置的嵌入式系統。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內部存儲器大小，其最高執(zhí)行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價、便捷的開發(fā)系統。所有開發(fā)（包括設計、調試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發(fā)設備的成本。

NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡化了電路板設計，又不存在接口速率的瓶頸問題，使整個系統在一塊芯片上就可以完成。

3 硬件設計

控制器的硬件設計流程就是為了定制合適的CPU和外設，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設的速度，提高外設的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設。

嵌入式工業(yè)以太網控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調試程序的內部存儲器Boot ROM、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內部定時器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。

圖1 SOPC工業(yè)以太網控制器硬件結構

4 軟件設計

完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設構成的系統是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應是專有的，SOPC Builder能夠自動生成SDK。

在生成的SDK基礎之上，進入軟件開發(fā)流程，在這個部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于，嵌入式系統是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。

控制器的操作系統考慮到性價比以及現場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開放代碼，其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統。

uClinux 從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。

在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標準的Linux基礎上進行了適當的裁剪和優(yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數的優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網絡功能、完備的對各種文件系統的支持、以及標準豐富的API等。在開發(fā)應用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。

特別的為了應用到工業(yè)實時領域，本文進一步增強uClinux的實時性。

整個嵌入式工業(yè)以太網控制器具有以下特點:

控制器具有很高的靈活性。這是本文設計的以太網控制器的最大特點。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統資源能夠靈活調配，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點，適應工業(yè)以太網實時數據的要求。

控制器具有很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網功能，這樣可以很容易實現控制器的微型化、Internet化;

控制器具有很高的實時性。在設計硬件和軟件時都充分考慮了系統的實時性。硬件設計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。

5 實際應用

針對某企業(yè)生產現場需要，將該型控制器應用到基于以太網的控制系統中。針對現場對網絡可靠性參數的嚴格要求，在控制層網絡改進傳統以太網拓撲結構。采用環(huán)形網絡拓撲，可以增加網絡的可靠性。

而解決網絡的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過交換式以太網交換機來通信。

每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網交換機和嵌入式的工業(yè)以太網控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機構。如圖2所示。該系統具有如下特點:

圖2 設備層網絡結構

（1） 靈活性。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源，克服了接口數據傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術，系統硬件、軟件的設計和調試都十分方便。

（2） 可靠性。控制系統的網絡拓撲采用環(huán)形架構，大大增強了骨干網的可靠性。在控制網絡層，通過劃分控制區(qū)域，分散了控制風險;而在控制區(qū)域內部采用嵌入式的工業(yè)以太網控制器，集中控制整個控制區(qū)域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結合集中的控制結構是十分有效的。

（3） 實時性。通過劃分控制區(qū)域，各個控制區(qū)域通過交換機連入骨干網，而每個控制區(qū)域內的變送和執(zhí)行結構的信息都不會占用骨干網絡資源。這樣，每個控制區(qū)域的網絡負載可以降到很低的程度（5％）。提高了網絡的實時性。嵌入式工業(yè)以太網控制器的硬件和軟件設計均考慮了實時性要求，這樣在網絡層下進一步提升了系統的實時性。

6 結論

本文對嵌入式工業(yè)以太網控制器進行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術來解決控制器硬件設計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，應用實驗結果表明該系統運行穩(wěn)定可靠。