FPGA的TCP/IP通信協議與Matlab通信系統的研究
整個系統設計具體操作如下:
(1)在EDK的集成開發環境XPS(Xilinx Platform. Studio)中,處理器功能單元,系統外圍總線結構,終端外設以及相應的地址映射和默認的驅動等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系統的基本構建中其主要設置如下:使用Single Processor System系統,Local Memory為16k,系統時鐘頻率為62.5MHz,定時器和以太網中斷必須連接到處理器的中斷控制器上,另外,本設計還用到的GIOP、 Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等,其間用到的IP驅動,都是用xilinx提供IP的自帶默認的相應驅動。
(2)最后XPS自動生成微處理器硬件規范MHS(Microprocessor Hardware SpecificaTIon)和描述軟件系統結構的微處理器軟件規范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關的文件。這些文件都可以手動進行修改,從而是使整個系統更加的優化。
(3)生成的系統最后生成bit文件,把其文件下載到目標板子上。
2.2 Simulink接收模塊的搭建
Simulink中TCP/IP中的接收模塊,其終端的地址,端口的設置要與FPGA上的以太網的IP地址、端口的設置一致,這就為 TCP/IP接收模塊指定了要通信的地址即完成了接收模塊TCP/IP的相關配置,也就完成了FPGA與Matlab中以太網通信的接收模塊的搭建,在 Simulink中,具體的模塊設計如圖3所示。
通信數據通過此模塊可以較直觀地用圖形動態顯示。
3 系統的軟件平臺及網絡協議的實現
3.1 軟件內核和協議
本設計主要選擇了Xilinx公司的精簡嵌入式操作系統Xilkemel,它是Xilinx提供的用于EDK系統的小型、模塊化的嵌入式操作系統內核,它支持Microblaze核,與EDK形成的硬件系統無縫連接,具有可定制、CPU資源占用較小、運行速度快等特點,是MicroBlaze嵌入式軟核的理想操作系統,其整體的開發流程如圖4所示。
網絡通訊協議我們采用TCP/IP協議,該通訊協議采用四層(應用層、傳輸層、互連網絡層、網絡接口層)層級結構,每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求,系統分為兩部分實現:
第一部分為物理層和MAC層,本設計中用LAN83C185來實現物理層,MAC層由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核,并作為整個MicroBlaze系統硬件的一部分在FPGA內實現。
第二部分是運輸層和網際層,主要由軟件代碼實現。TCP/IP網絡通信軟件允許用戶遠程注冊到另一個系統中,并從一個系統復制文件到另一個系統,雖然Xilkernel本身不帶有文件處理系統和TCP/IP協議棧,但它與Xilinx公司的LwIP庫具有良好的接口,加上系統支持庫 LibXilMFS可形成一個比較完整的嵌入式系統,其特點是內核配置功能都已集成到EDK工具中,使用簡單、方便,內核啟動靜態創建線程,而動態分配內存,可加載或卸載不同功能模塊來實現內核的高擴展性。
本設計主要采用LwIP3.OOb(Light weight Internet Protocol stack)協議模塊套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧中,LwI-P3.00b提供二種API模式:Socket模式和RWA模式,由于 Socket模式開發難度不大,只要啟動Xemacif input thread線程,從中斷響應的過程中接收數據包并轉移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考慮我們決定上層協議部分協議模塊采用Socket模式,因此需在MSS文件里對LwIP進行例化(包括相應的 LwIP參數設置)從而減少存儲器利用量和代碼編寫。
3.2 網絡通信程序的實現與設計
網絡通信程序主要完成從超極終端發送數據,傳到Simulink中的ICP/IP接收模塊。下面是主要的網絡通信程序:
Server_thread()函數是Xilkernel的第一個線程,初始化LwIP協議棧。
ServerAppThread()函數可完成MAC、IP、掩碼以及網關的配置,并完成Socket應用。
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