1 引言
隨著internet技術的發展，在許多領域都引起了飛躍性的變化。嵌入式系統應用領域中一個新的趨勢就是開始在嵌入式設備上集成網絡通信功能，比如網絡監控、網絡數據采集系統等，以便于通過網絡與遠程設備進行信息的交互和增強系統的互連性，僅僅需要一根網線就可以輕輕松松完成系統的互連。
目前市場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、高性價比的fpga器件，使得嵌入式系統的開發變得越發方便。再者由于nios ii可配置和fpga器件可編程的特點，與專用硬件相比靈活性得有很大的優勢，從而使得fpga器件在現代電子設計中得到廣泛的應用。

2 系統設計
2.1 nios ii簡介
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，用戶可以根據自己的實際需要進行處理器的配置，以達到資源的合理使用，其性能可以超過200dmips。nios ii采用哈佛結構，具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令及數據緩沖，而且支持用戶自定義指令（最多256個）以擴展cpu指令集，提升系統的性能，為可編程片上系統（sopc）設計提供了一套完整的解決方案。nios ii提供了三種內核：nios ii/f是一種高性能的內核，速度最快但消耗的資源最多；nios ii/e是低成本內核，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核。本設計采用的是nios ii/s內核。
nios ii的優勢就在于其靈活性，可以根據用戶的需求進行靈活的配置和裁剪。基于nios ii軟核的系統設計利用altera公司提供的系統設計工具sopc builder和集成開發環境niosii ide可以進行軟硬件協同設計，很大程度上縮短開發周期，在系統開發的任何階段要都可以很方便的對系統進行修改。fpga器件豐富的邏輯資源，結合nios ii強大的處理能力，將為嵌入式系統設計提供有效的解決方案。
2.2 系統設計

圖 1 系統模塊圖

系統模塊圖如圖1所示。設計采用了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備和協議棧的運行。而且添加了一個計算校驗和的用戶指令（cal_checksum）。
片上ram用作內存運行程序；flash使用了sharp公司的lh28f160s3t-l13a，用來存儲程序和配置信息，系統上電后，先將程序從flash中拷貝到片上ram運行；網絡接口芯片使用smsc公司的10/100m以太網接口控制芯片lan9c111，所以在sopc builder中配置系統時，需要加上altera免費提供的lan9c111接口控制器，嵌入式設備通過lan9c111就可以接入以太網，與網絡上的其他設備進行網絡通信；sdram選用micron公司的mt48lc8m16a2，用來緩存網絡數據，其中sdram控制器使用altera免費提供的sdram控制器。
要提高系統的性能，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時間的模塊使用硬件模塊來實現。經過分析發現，在網絡協議棧的運行過程中，最耗費時間的是校驗和的計算，尤其是當數據量非常大的時候。為此，專門用硬件定制了一個用戶指令校驗和計算指令（cal_checksum），對數據校驗和的計算實現硬件加速，作為一個指令添加到niosii系統中，在協議棧程序中調用來縮短計算校驗和的時間，提高處理速度，達到提升系統性能的目的。
2.3 校驗和計算指令（cal_chkusm）
在上面的分析中已經提到過，在整個協議棧的處理中，最耗時間的就是數據校驗和的計算，特別是當數據長度很大時。所以在設計中將數據校驗和的計算采用硬件模塊來實現，作為niosii的一個用戶自定義指令，以提高校驗和計算的速度。在協議棧的移植過程中，將數據的寬度修改為16位，方便最后將16位校驗和的計算結果添加到相應的域。