基于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

1、基于niosii的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)圖 1 系統(tǒng)模塊圖系統(tǒng)模塊圖1所示。設(shè)計(jì)采納了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)和的用戶命令（cal_checksum）。片上ram用作內(nèi)存運(yùn)行程序；flash用法了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)接口芯片用法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

2、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)備舉行網(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控制器用法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)光的模塊用法硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)覺(jué)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的運(yùn)行過(guò)程中，最耗費(fèi)時(shí)光的是校驗(yàn)和的計(jì)算，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)量十分大的時(shí)候。為此，特地用硬件定制了一個(gè)用戶命令校驗(yàn)和計(jì)算命令（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)命令添加到niosii系統(tǒng)中，在協(xié)議棧程序中調(diào)用

3、來(lái)縮短計(jì)算校驗(yàn)和的時(shí)光，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)算命令（cal_chkusm）在上面的分析中已經(jīng)提到過(guò)，在囫圇協(xié)議棧的處理中，最耗時(shí)光的就是數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算，特殊是當(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)算采納硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為niosii的一個(gè)用戶自定義命令，以提大學(xué)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，便利最后將16位校驗(yàn)和的計(jì)算結(jié)果添加到相應(yīng)的域。校驗(yàn)和的計(jì)算需要無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期才干完成，所以校驗(yàn)和計(jì)算命令用法了multi-cycle用戶命令結(jié)構(gòu)。multi-cycle用戶命令的端口操作有：固定長(zhǎng)度和可變長(zhǎng)度。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)

4、據(jù)長(zhǎng)度是不斷變幻的，所以校驗(yàn)和計(jì)算命令挑選可變長(zhǎng)度操作，這也影響到端口信號(hào)的挑選。multi-cycle用戶命令結(jié)構(gòu)的信號(hào)有：reset，clk，clk_en，start，dataa31:0，datab31:0，done，result31:0。其中除了reset，clk，clk_en三個(gè)信號(hào)外，其他信號(hào)都是可選的，要按照詳細(xì)的應(yīng)用挑選。本設(shè)計(jì)中校驗(yàn)和計(jì)算命令用到了start，dataa31:0，done，result31:0。start信號(hào)作為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，dataa31:0為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，當(dāng)校驗(yàn)和計(jì)算完成時(shí)done信號(hào)有效，通知cpu讀取result端口上的數(shù)據(jù)，因此計(jì)算校驗(yàn)和命令規(guī)律必需確

5、保當(dāng)done信號(hào)有效時(shí)，result端口上的數(shù)據(jù)有效。在sopc builder中添加校驗(yàn)和計(jì)算命令，然后重新產(chǎn)生系統(tǒng)，再在quartusii中更新并編譯，在ide的重新編譯一次工程，系統(tǒng)庫(kù)中的“system.h”文件包含校驗(yàn)和計(jì)算命令的宏定義如下：define alt_ci_cal_chksum_n 0x00000000define alt_ci_cal_chksum（a） _builtin_custom_ini（alt_ci_cal_chksum_n,（a）用戶只需要在源文件中將計(jì)算校驗(yàn)和部分用法上面的宏做相應(yīng)的替換就可以，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)這再容易不過(guò)了，就像是調(diào)用一個(gè)子函數(shù)。由此可見(jiàn)，基于ni

6、osii軟核處理器開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，具有普通嵌入式處理器不能比擬的優(yōu)勢(shì)。3 軟件設(shè)計(jì)協(xié)議棧用法了現(xiàn)在在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)很成熟的uip。假如用法altera提供的lwip協(xié)議棧，那么就得考慮其在嵌入式操作系統(tǒng)上的移植，這樣無(wú)疑會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和代碼量。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是uip協(xié)議棧在nios ii上的移植。針對(duì)niosii的特點(diǎn)，將uip做適當(dāng)?shù)男薷模筺iosii處理器的處理能力得到充分發(fā)揮，提高系統(tǒng)的性能。uip本來(lái)是針對(duì)8位處理器的，現(xiàn)在將其修改為16位，這樣理論上處理能力就提高了一倍，系統(tǒng)的性能也就提升了一倍。按照tcp/ip模型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層用法網(wǎng)絡(luò)接口芯片lan9

7、c111完成；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議解析在niosii中由嵌入式tcp/ip協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層由用戶按照需要編寫。各個(gè)模塊合起來(lái)共同完成網(wǎng)絡(luò)通信功能。3.1 底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫lan9c111芯片的底層驅(qū)動(dòng)是由altera免費(fèi)提供的，可以調(diào)用這些底層驅(qū)動(dòng)來(lái)完成初始化、通信建立、監(jiān)聽(tīng)等通信功能。這些底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)是已經(jīng)封裝好的，用戶不需要了解其詳情就可以編寫網(wǎng)絡(luò)通信程序，但是為了舉行高級(jí)的開(kāi)發(fā)，必需對(duì)囫圇程序的工作機(jī)制有一定的了解。幾個(gè)主要的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)完成啟動(dòng)、復(fù)位和初始化phy、以太網(wǎng)packet的收發(fā)及中斷處理函數(shù)等工作：static void r_lan91c111_enable（）：用于啟

8、動(dòng)芯片工作，使能發(fā)送和接收。int nr_lan91c111_reset（）：對(duì)芯片盡心復(fù)位。static int r_lan91c111_init_phy（ ）：完成物理層芯片的初始化。int nr_lan91c111_set_irq（）：設(shè)置芯片的中斷上層的通信程序調(diào)用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的控制，通信功能的實(shí)現(xiàn)以此為基礎(chǔ)。3.2 通信軟件的實(shí)現(xiàn)通信軟件完成設(shè)備之間通信的主要功能，主要是uip協(xié)議棧的。傳輸層實(shí)現(xiàn)了tcp和udp，這在軟件設(shè)計(jì)時(shí)就需要做不同的考慮，不同的數(shù)據(jù)傳輸需求要求用法不同的傳輸層協(xié)議，比如，實(shí)時(shí)性要求高的傳輸應(yīng)用就要求用法無(wú)銜接的udp協(xié)議；對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高并且要保證數(shù)

9、據(jù)傳輸?shù)睦慰啃缘膽?yīng)用用法面對(duì)銜接的、牢靠的tcp協(xié)議可以保證傳輸?shù)睦慰啃?。程序框架如下：main（）netif_init（）; / 網(wǎng)絡(luò)接口初始化uip_init（）; / 協(xié)議棧初始化arp_table_init（）; / arp 表初始化netconn_new（） / 建立新的銜接netconn_bind（） / 綁定端口號(hào)netconn_listen（） / 偵聽(tīng)端口while（1）if （收到數(shù)據(jù)） / 處理接收的數(shù)據(jù)else if（發(fā)送數(shù)據(jù)） / 發(fā)送數(shù)據(jù)else / 返回預(yù)備下次處理圖2是軟件處理流程。圖2 通信軟件流程圖4 結(jié)束語(yǔ)采納niosii舉行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)閟opc builder工具的強(qiáng)大系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能再加上niosii ide集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得容易便利、可擴(kuò)展性強(qiáng)，并且系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)舉行，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。在該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，用法了嵌入式領(lǐng)域十分成熟的uip，并且是開(kāi)放源