基于NiosII的嵌入式網(wǎng)絡(luò )通信系統

1 引言
隨著(zhù)internet技術(shù)的發(fā)展，在許多領(lǐng)域都引起了飛躍性的變化。嵌入式系統應用領(lǐng)域中一個(gè)新的趨勢就是開(kāi)始在嵌入式設備上集成網(wǎng)絡(luò )通信功能，比如網(wǎng)絡(luò )監控、網(wǎng)絡(luò )數據采集系統等，以便于通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與遠程設備進(jìn)行信息的交互和增強系統的互連性，僅僅需要一根網(wǎng)線(xiàn)就可以輕輕松松完成系統的互連。
目前市場(chǎng)上的嵌入式處理器的種類(lèi)很多。altera公司推出了第二代片上可編程嵌入式軟核處理器nios ii，再配上其低成本、高性?xún)r(jià)比的fpga器件，使得嵌入式系統的開(kāi)發(fā)變得越發(fā)方便。再者由于nios ii可配置和fpga器件可編程的特點(diǎn)，與專(zhuān)用硬件相比靈活性得有很大的優(yōu)勢，從而使得fpga器件在現代電子設計中得到廣泛的應用。

2 系統設計
2.1 nios ii簡(jiǎn)介
nios ii嵌入式軟核處理器是altera公司推出的第二代片上可編程的軟核處理器，nios ii是可配置的，用戶(hù)可以根據自己的實(shí)際需要進(jìn)行處理器的配置，以達到資源的合理使用，其性能可以超過(guò)200dmips。nios ii采用哈佛結構，具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令及數據緩沖，而且支持用戶(hù)自定義指令（最多256個(gè)）以擴展cpu指令集，提升系統的性能，為可編程片上系統（sopc）設計提供了一套完整的解決方案。nios ii提供了三種內核：nios ii/f是一種高性能的內核，速度最快但消耗的資源最多；nios ii/e是低成本內核，速度最慢消耗的資源最少；nios ii/s是一種性能和成本折中的內核。本設計采用的是nios ii/s內核。
nios ii的優(yōu)勢就在于其靈活性，可以根據用戶(hù)的需求進(jìn)行靈活的配置和裁剪。基于nios ii軟核的系統設計利用altera公司提供的系統設計工具sopc builder和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境niosii ide可以進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計，很大程度上縮短開(kāi)發(fā)周期，在系統開(kāi)發(fā)的任何階段要都可以很方便的對系統進(jìn)行修改。fpga器件豐富的邏輯資源，結合nios ii強大的處理能力，將為嵌入式系統設計提供有效的解決方案。
2.2 系統設計

圖 1 系統模塊圖

系統模塊圖如圖1所示。設計采用了altera公司的cyclone ii系列芯片。在其中配置niosii軟核處理器控制外圍設備和協(xié)議棧的運行。而且添加了一個(gè)計算校驗和的用戶(hù)指令（cal_checksum）。
片上ram用作內存運行程序；flash使用了sharp公司的lh28f160s3t-l13a，用來(lái)存儲程序和配置信息，系統上電后，先將程序從flash中拷貝到片上ram運行；網(wǎng)絡(luò )接口芯片使用smsc公司的10/100m以太網(wǎng)接口控制芯片lan9c111，所以在sopc builder中配置系統時(shí)，需要加上altera免費提供的lan9c111接口控制器，嵌入式設備通過(guò)lan9c111就可以接入以太網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò )上的其他設備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信；sdram選用micron公司的mt48lc8m16a2，用來(lái)緩存網(wǎng)絡(luò )數據，其中sdram控制器使用altera免費提供的sdram控制器。
要提高系統的性能，一方面是提高處理器的處理能力；另一方面就是將用軟件處理比較費時(shí)間的模塊使用硬件模塊來(lái)實(shí)現。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現，在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的運行過(guò)程中，最耗費時(shí)間的是校驗和的計算，尤其是當數據量非常大的時(shí)候。為此，專(zhuān)門(mén)用硬件定制了一個(gè)用戶(hù)指令校驗和計算指令（cal_checksum），對數據校驗和的計算實(shí)現硬件加速，作為一個(gè)指令添加到niosii系統中，在協(xié)議棧程序中調用來(lái)縮短計算校驗和的時(shí)間，提高處理速度，達到提升系統性能的目的。
2.3 校驗和計算指令（cal_chkusm）
在上面的分析中已經(jīng)提到過(guò)，在整個(gè)協(xié)議棧的處理中，最耗時(shí)間的就是數據校驗和的計算，特別是當數據長(cháng)度很大時(shí)。所以在設計中將數據校驗和的計算采用硬件模塊來(lái)實(shí)現，作為niosii的一個(gè)用戶(hù)自定義指令，以提高校驗和計算的速度。在協(xié)議棧的移植過(guò)程中，將數據的寬度修改為16位，方便最后將16位校驗和的計算結果添加到相應的域。