1 引言

　　隨著以太網在工業控制領域得到大規模應用，嵌入式的工業以太網系統也越來越多的滲入到了工業控制領域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業以太網系統已經有大量文獻報道。

　　以上這些系統的開發平臺并不完全針對工業以太網的應用情況，因為芯片設計公司并不完全熟悉工業以太網的需要。因此在實際應用當中經常出現硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發系統往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。SOPC技術能解決這個難題。

　　2 SOPC技術

　　可編程片上系統（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統:首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

　　2.1 SOPC

　　SOPC 結合了SOC和FPGA各自的優點，實際上涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統（RTOS）為中心的軟件設計技術、以 PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統的調試設備，如:邏輯分析儀和數字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內實時調試工具;而在應對復雜設計方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現數字信號處理算法的強大輔助工具。

　　2.2 NIOS

　　NIOS 是Altera公司以RISC為基礎的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數據通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內的多種應用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內，實現完全可配置的嵌入式系統。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內部存儲器大小，其最高執行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價、便捷的開發系統。所有開發（包括設計、調試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發設備的成本。

　　NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡化了電路板設計，又不存在接口速率的瓶頸問題，使整個系統在一塊芯片上就可以完成。

　　3 硬件設計

　　控制器的硬件設計流程就是為了定制合適的CPU和外設，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發者開發NIOS外設的速度，提高外設的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設。

　　嵌入式工業以太網控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調試程序的內部存儲器Boot ROM、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內部定時器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發光管和數碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。

　　圖1 SOPC工業以太網控制器硬件結構