基于FPGA的嵌入式串行千兆以太網設計
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3 嵌入式系統軟件設計
本系統軟件部分需實現TCP／IP網絡協議，TCP／IP協議模型包括應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。網絡接口層分為PHY層和MAC層兩部分。其中，PHY層由外部PHY芯片88E1111實現，MAC層由Xilinx公司的Hard Ethernet MAC IP核實現，并作為整個Power-PC系統硬件的一部分在FPGA的內部實現。
網絡層和傳輸層主要采用LwIP協議模塊編寫相應的軟件代碼。LwIP同時支持服務器模式和客戶端模式，提供RAW和Socket兩種API。它的特點是在保持TCP／IP協議主要功能的情況下，減少對RAW的使用，使得LwIP在各類高檔嵌入式系統開發中得到廣泛的應用。本設計選擇Xili nx公司的精簡嵌入式操作系統Xilkernel，用于更好地管理系統資源。Xilkernel能與EDK形成的硬件系統緊密結合，是一種可定制的簡單高效系統。Xilkernel系統的配置可以在開發環境SDK中進行手動設置。本設計中運用LwIP協議模塊編寫運行在Xilkernel操作系統上的應用軟件，實現了Web Server(網頁服務)、FTP(FileTransfer Protocl)、Telnet遠程登錄服務、iperf應用等功能。下面以網頁服務程序、iperf服務器和客戶端程序為例對軟件設計流程進行說明。
具體流程描述如下：
①在Xilkernel系統的靜態啟動線程main_thread()中，初始化網絡協議和文件系統。
②調用線程生成函數sys_thread_new()生成并啟動線程1。
③在線程1中設置電路板硬件的MAC地址、網關、IP地址和子網掩碼等參數，并初始化網絡接口。具體設置方式如下：MAC地址為00；0a：35；00；01；02；IP4地址為192．168．1．10；IP4地址掩碼為255．255．255．0；IP4地址網關為192．168．1．1。
④初始化一個Socket，將它與IP地址和端口號綁定，然后開始監聽網絡，一旦監聽到網絡請求，再由函數sys_thread_new()生成一個線程2去響應，用于緩存接收到的數據包。然后，通過函數launch_app_threads()判斷監聽到的網絡請求屬于哪種類型，并由函數sys_thread_ new()生成相應的線程3去處理。
如果是網絡服務請求，則將網頁文件輸出到PC機上，并接收PC機傳輸的控制數據信息，其程序流程如圖5所示。如果是iperf應用請求，則發送或接收相應的數據完成對請求的響應。本文引用地址：http://cqxgywz.com/article/153698.htm
網頁服務程序運行前需在FPGA外部的DDR中建立文件系統，將用于控制的相關網頁文件保存在該文件系統中。系統在運行時，訪問預設的IP地址，會將相關網頁文件傳輸到遠端控制電腦上，并通過網頁中的超鏈接命令腳本將預設的控制信息傳送給PowerPC處理器，用以控制電路板上的LED燈亮滅，或者讀取電路板上撥碼開關的狀態值并在服務器首頁上顯示。
本設計中采用iperf網絡測試軟件對其性能進行測試。采用9 000字節巨幀可以實現高達490 Mbps的傳輸速率。
結語
本文成功使用Virtex-5 FX70t芯片實現串行千兆以太網系統，并通過網頁服務程序對其功能加以驗證。本系統在硬件電路設計階段具有I／O端口數目少、便于PCB布線，以及信號完整性容易保證等優點。通過iperf網絡測試軟件對其傳輸速率進行測試，其結果達到高速數據傳輸的要求。
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