基于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

1 引言
隨著internet技術(shù)的發(fā)展，在許多領(lǐng)域都引起了飛躍性的變化。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)新的趨勢(shì)就是開始在嵌入式設(shè)備上集成網(wǎng)絡(luò)通信功能，比如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，以便于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行信息的交互和增強(qiáng)系統(tǒng)的互連性，僅僅需要一根網(wǎng)線就可以輕輕松松完成系統(tǒng)的互連。
目前市場(chǎng)上的嵌入式處理器的種類很多。altera公司推出了第二代片上可編程嵌入式軟核處理器nios ii，再配上其低成本、高性價(jià)比的fpga器件，使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得越發(fā)方便。再者由于nios ii可配置和fpga器件可編程的特點(diǎn)，與專用硬件相比靈活性得有很大的優(yōu)勢(shì)，從而使得fpga器件在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 nios ii簡(jiǎn)介
nios ii嵌入式軟核處理器是altera公司推出的第二代片上可編程的軟核處理器，nios ii是可配置的，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行處理器的配置，以達(dá)到資源的合理使用，其性能可以超過(guò)200dmips。nios ii采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令及數(shù)據(jù)緩沖，而且支持用戶自定義指令（最多256個(gè)）以擴(kuò)展cpu指令集，提升系統(tǒng)的性能，為可編程片上系統(tǒng)（sopc）設(shè)計(jì)提供了一套完整的解決方案。nios ii提供了三種內(nèi)核：nios ii/f是一種高性能的內(nèi)核，速度最快但消耗的資源最多；nios ii/e是低成本內(nèi)核，速度最慢消耗的資源最少；nios ii/s是一種性能和成本折中的內(nèi)核。本設(shè)計(jì)采用的是nios ii/s內(nèi)核。
nios ii的優(yōu)勢(shì)就在于其靈活性，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活的配置和裁剪。基于nios ii軟核的系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用altera公司提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具sopc builder和集成開發(fā)環(huán)境niosii ide可以進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，很大程度上縮短開發(fā)周期，在系統(tǒng)開發(fā)的任何階段要都可以很方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。fpga器件豐富的邏輯資源，結(jié)合nios ii強(qiáng)大的處理能力，將為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的解決方案。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 1 系統(tǒng)模塊圖

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。設(shè)計(jì)采用了altera公司的cyclone ii系列芯片。在其中配置niosii軟核處理器控制外圍設(shè)備和協(xié)議棧的運(yùn)行。而且添加了一個(gè)計(jì)算校驗(yàn)和的用戶指令（cal_checksum）。
片上ram用作內(nèi)存運(yùn)行程序；flash使用了sharp公司的lh28f160s3t-l13a，用來(lái)存儲(chǔ)程序和配置信息，系統(tǒng)上電后，先將程序從flash中拷貝到片上ram運(yùn)行；網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用smsc公司的10/100m以太網(wǎng)接口控制芯片lan9c111，所以在sopc builder中配置系統(tǒng)時(shí)，需要加上altera免費(fèi)提供的lan9c111接口控制器，嵌入式設(shè)備通過(guò)lan9c111就可以接入以太網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；sdram選用micron公司的mt48lc8m16a2，用來(lái)緩存網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中sdram控制器使用altera免費(fèi)提供的sdram控制器。
要提高系統(tǒng)的性能，一方面是提高處理器的處理能力；另一方面就是將用軟件處理比較費(fèi)時(shí)間的模塊使用硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的運(yùn)行過(guò)程中，最耗費(fèi)時(shí)間的是校驗(yàn)和的計(jì)算，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)量非常大的時(shí)候。為此，專門用硬件定制了一個(gè)用戶指令校驗(yàn)和計(jì)算指令（cal_checksum），對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算實(shí)現(xiàn)硬件加速，作為一個(gè)指令添加到niosii系統(tǒng)中，在協(xié)議棧程序中調(diào)用來(lái)縮短計(jì)算校驗(yàn)和的時(shí)間，提高處理速度，達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。
2.3 校驗(yàn)和計(jì)算指令（cal_chkusm）
在上面的分析中已經(jīng)提到過(guò)，在整個(gè)協(xié)議棧的處理中，最耗時(shí)間的就是數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度很大時(shí)。所以在設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算采用硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為niosii的一個(gè)用戶自定義指令，以提高校驗(yàn)和計(jì)算的速度。在協(xié)議棧的移植過(guò)程中，將數(shù)據(jù)的寬度修改為16位，方便最后將16位校驗(yàn)和的計(jì)算結(jié)果添加到相應(yīng)的域。