SOPC技術在嵌入式工業(yè)以太網中的應用

　　1 引言

　　隨著以太網在工業(yè)控制領域得到大規(guī)模應用，嵌入式的工業(yè)以太網系統(tǒng)也越來越多的滲入到了工業(yè)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(yè)以太網系統(tǒng)已經有大量文獻報道。
　　以上這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網的應用情況，因為芯片設計公司并不完全熟悉工業(yè)以太網的需要。因此在實際應用當中經常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發(fā)系統(tǒng)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(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統(tǒng)，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(tǒng)可編程的功能。

　　2.1 SOPC

　　SOPC 結合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)（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(xié)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(tǒng)的調試設備，如:邏輯分析儀和數(shù)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(xié)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(xiàn)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(xiàn)數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng)。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(zhí)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(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（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(fā)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(tǒng)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(fā)者開發(fā)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。


圖1 SOPC工業(yè)以太網控制器硬件結構

[$page]　　4 軟件設計

　　完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設構成的系統(tǒng)是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應是專有的，SOPC Builder能夠自動生成SDK。

　　在生成的SDK基礎之上，進入軟件開發(fā)流程，在這個部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于，嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。

　　控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統(tǒng)。

 　　uClinux 從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。

　　在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標準的Linux基礎上進行了適當?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網絡功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標準豐富的API等。在開發(fā)應用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。

 　　特別的為了應用到工業(yè)實時領域，本文進一步增強uClinux的實時性。

　　整個嵌入式工業(yè)以太網控制器具有以下特點:

　　控制器具有很高的靈活性。這是本文設計的以太