摘　要:采用sopc技术把处理器内核配置到fpga芯片中,是一种具有特殊优势的嵌入式系统解决方案。在嵌入式以太网网络终端的研制中,应用quartusⅱ软件平台的sopcbuilder设计工具,把nios软核处理器、以太网芯片控制电路、其它外围器件的控制电路及用户逻辑电路都集成在了一片cyclone可编程逻辑芯片上。在这个网络终端上运行μc/osⅱ嵌入式操作系统、lwip网络通信协议和应用软件,就能实现多种网络通信功能。

　　关键词:以太网;网络终端;可编程芯片上系统

1　引言
　　近年来随着internet网络的快速发展,以太网因其宽带、扩展性强、组网灵活而成为应用最广泛的数据接入网络。以太网的网络终端设备是网络的重要组成部分,是网络与网外互访信息的协议界面和工作平台。嵌入式以太网网络终端设备采用嵌入式处理器技术,使用嵌入式操作系统,内嵌网络接口和网络通信协,可直接接入以太网。由于嵌入式网络终端设备具有成本低、体积小、高可靠、微功耗、环境适应能力强等诸多优势,在通信和工业控制等领域正得到日益广泛的应用。本文主要介绍用sopc技术构建嵌入式以太网网络终端的设计和实践。基于sopc技术的嵌入式以太网网络终端能够为多种联网应用提供基本的工作平台。

　　与当前较为流行的嵌入式处理器如基于arm内核的处理器、powerpc系列处理器等不同,sopc技术的解决方案是把处理器作为“内核”嵌入到fpga芯片中,在可编程芯片上实现系统功能。可嵌入的处理器内核有两种:硬核或软核。其中软核因为成本低、可重构性强、功能灵活、适用的fpga芯片范围广等特点更适合于应用在中小批量生产的差异化产品中。

　　fpga采用硬件技术处理信号,又可以通过软件反复编程使用,能兼顾速度和灵活性,实时性能可以精确预测和仿真。fpga芯片的一个显著优势是具有强大的硬件并行处理能力,这种能力不受处理器架构的限制而只取决于芯片的物理资源。随着深亚微米半导体技术的进步,目前fpga单片所含的逻辑门和片上存储器的容量发展很快,百万门级的可编程逻辑芯片已成为寻常产品。因此在一般算法复杂度的多路信号处理(通常语音通信和工业控制均可归入该范围)中,fpga比dsp更能胜任工作,而且并行处理的路数越多,这个优势越突出。nios是altera公司开发的一种软核处理器。应用sopc技术把nios配置进fpga芯片后,网络终端备不再需要外部处理器,用单一fpga芯片就可以实现以前需要fpga+cpu才能完成的功能。

2　网络终端的总体设计

　　基于sopc技术的嵌入式以太网网络终端的硬件和固件部分由带nios软核cpu的fpga芯片、外部数据存储器flashram和sdram、带ad和da变换电路的模拟信号处理模块、rs-232串行通信电路、以太网网络模块及rj45接口、jtag接口电路等组成,见图1。此外还有电源电路及配置电路等,从略。

图1　网络终端电路模块示意图

　　在图1中,fpga芯片选用altera公司的cyclone系列芯片ep1c6q240c8,该芯片采用0.13μm的全铜1.5v sram工艺制作,具有5980个逻辑单元(le),92160个ram比特,两个数字锁相环(pll),240引脚pqfp封装。

　　程序存储器选用amd公司的flashram芯片am29lv017d,存储容量2mbyte,擦写次数可达100万次。数据存储器选用micron公司的sdram芯片mt48lc4m32b2,存储容量16mbyte,访问速度5.5ns。使用较大容量的数据存储器主要是为今后试验运行各种不同的嵌入式操作系统预留空间。

　　以太网接口芯片采用cs8900a。该芯片是cirrus logic公司生产的一种局域网信号处理芯片,内部集成了片上ram,其模拟前端包括了曼切斯特编解码器、时钟恢复电路、10base-t收发器和滤波器及一个aui口。cs8900a的mac(媒体访问控制)引擎负责以太网数据帧的发送和接收,检测和处理冲突,生成和检测帧引导头(preamble),自动生成和校验crc(循环冗余校验)码。芯片在网络物理层符合ieee802.3以太网标准,支持全双工操作。

　　a/d和d/a变换器采用adi公司的ad73311l芯片。ad73311l具有一个16bit的ad转换通道和一个16bit的d/a转换通道,a/d和d/a转换通道的增益可分别在38db和21db范围内编程控制,每一个通道都在声音频带范围内提供70db的信噪比。采样频率为8khz～64khz,可编程控制,采样字长为16位。选用ad73311l是因为该芯片不但可应用于一般模拟信号的a/d和d/a变换,而且能够满足语音信号的前端处理要求,便于今后试验voip功能。

　　jtag接口用于从pc机向fpga芯片下载配置文件以及调试系统,串口用于连接pc机进行系统的软件调试及在联网应用中传送信息到外部设备。

　　终端的软件部分主要由嵌入式操作系统μc/osⅱ、网络协议lwip及应用软件组成。嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式应用的操作系统,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议等。与pc操作系统相比较,嵌入式操作系统在系统的实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具