在嵌入FPGA的IP核8051上實現TCP/IP的設計

　　隨著芯片規(guī)模的越來越大、資源的越來越豐富, 芯片的設計復雜度也大大增加。事實上, 在芯片設計完成后, 有時還需要根據情況改變一些控制, 這在使用過程中會經常遇到。這時候如果再對芯片設計進行改變將是很不可取的, 因為需要設計人員參與這種改變, 這無論是對設計者還是用戶都是不能接受的。于是就有必要讓這種可以改變的簡單控制在芯片設計時就存在, 而且同時還應該使這種改變相對容易, 比較通用, 并且與芯片的其它設計部分盡量不相關。為了滿足上述的要求, 在FPGA中嵌入一個IP核是比較理想的選擇, 而這個即通用又控制簡單的IP核最好選擇8051微處理器。

　　在FPGA中植入8051后, 還可在上面實現簡單的TCP/IP協(xié)議, 以支持遠程訪問或進行遠程調試, 這只是在嵌入FPGA的8051上的一個應用。為了保證用戶能夠對8051實現不同的控制操作,設計時也可以采用一個外部flash對8051進行加載, 這樣, 用戶只需要將編譯好的匯編語言代碼加到flash就可以控制8051的工作, 而此時用戶完全不需要對FPGA進行操作就能實現簡單的控制,而這需要的僅僅只是keil的編譯環(huán)&

　　1 IP核8051的FPGA實現

　　現在有許多免費的8051核可以利用, 這些核都可通過硬件描述語言來實現, 并且基本上都可綜合, 也就是直接拿來就能用, 需要的只是根據自身的具體需求做一些簡單修改即可。總的說來, IP核8051的移植是比較簡單的。

　　本系統(tǒng)的設計與實現可以采用oregano system的mc8051內核, 并且加入定時計數的和串口模塊, 8051單片機的設計結構框圖如圖1所示。

　　在8051核的FPGA設計中, 完全可以實現包括計時/計數、中斷、串口、數據及程序存儲器、特殊寄存器、布爾處理的位處理機等的所有功能, 而且兼容所有指令, 只是在具體的移植過程中做一些改變而已。

　　這種方法對程序存儲器不再做內外之分, 因為FPGA內部存儲容量已經能夠滿足要求, 同時將程序存儲器的容量擴大了一倍 (變?yōu)?KB), 以滿足大程序的容量需求; 為了讓8051更為強大且更具有通用性, 可將數據存儲器RAM的容量擴大一倍, 變?yōu)?56字節(jié)?？梢钥闯? 在設計過程中將8051的功能也進行了加強, 但是并不影響對它的控制, 僅僅是在硬件上對存儲器的容量進行了擴大, 而這種擴大只是改變了地址線的寬度, 完全不影響111條指令的正確執(zhí)行。對用戶來說這只是可以使用的內部RAM增加了, 控制并沒有任何改變。當然, 在資源比較緊張, 而且程序容量比較小時, 也可以將存儲器的容量改小, 這種改變也相當方便, 只需要改變地址線的寬度就能達到目的。由此可見, 設計時完全可以根據需要改變IP核的設計, 而不局限于8051。

　　雖然整個8051IP核能正確執(zhí)行所有指令, 并能實現串口、計時器及中斷控制, 且整個IP的核工作時鐘也在20 MHz以上, 但是, 由于這時候的所有指令周期并不與真實的8051完全一致, IP核中有的指令需要比真正的8051多執(zhí)行幾個周期才能完成, 這就使得分析IP核的工作時鐘復雜起來了, 因為相對于真正的8051不能有一個精確的工作時鐘對比。但是經過分析仍然可以認為, IP核應該可以工作在15 MHz左右, 也就是比真實的8051快了15倍左右。這對于芯片整體來說, 其速度可能相對較低, 但是由于這部分與芯片其它部分的邏輯相關性極小, 所以并不會影響芯片的整體性能, 而對于一些簡單控制來說, 這個速度還是能夠滿足要求的。

　　2 UIP協(xié)議棧

　　2.1 UIP簡介

　　在FPGA中實現TCP/IP協(xié)議的主要目的是為了滿足設計人員對芯片的遠程調試。而滿足這種要求實際上并不需要很強大和快速的傳輸功能。功能過于強大將會占用過多的資源, 而且實際上, 很多功能并沒有實際作用; 同時也不需要很快的傳輸速度。畢竟對于一個芯片的設計來說,無論是設計文檔或是設計程序, 容量都是非常有限的。綜合考慮, 則應選擇一個實現簡單、占用資源少, 但能夠比較穩(wěn)定地進行數據傳輸的協(xié)議, 為此, 本文選擇了相對簡單的UIP協(xié)議棧,而放棄了功能比較強大的LWIP協(xié)議棧。選擇UIP還有一個好處, 就是這個協(xié)議棧是專門針對單片機等微控制器設計的TCP/IP協(xié)議棧, 它能夠利用嵌入的IP核8051來實現TCP/IP協(xié)議, 而不再需要額外的邏輯單元。

　　UIP的特點是代碼量和數據量都比較小, 因而可以為存儲器比較緊張的地方提供合適的實現方案, 包括TCP/IP所需的最小實現方案和只包含TCP、IP、ICMP (ping) 以及簡單的UDP協(xié)議, 其具體的實現方法如圖2所示, 圖2中, 帶“