基于FPGA的IP核8051上實(shí)現TCP/IP的設計

引言

隨著(zhù)芯片規模的越來(lái)越大、資源的越來(lái)越豐富, 芯片的設計復雜度也大大增加。事實(shí)上, 在芯片設計完成后, 有時(shí)還需要根據情況改變一些控制, 這在使用過(guò)程中會(huì )經(jīng)常遇到。這時(shí)候如果再對芯片設計進(jìn)行改變將是很不可取的, 因為需要設計人員參與這種改變, 這無(wú)論是對設計者還是用戶(hù)都是不能接受的。于是就有必要讓這種可以改變的簡(jiǎn)單控制在芯片設計時(shí)就存在, 而且同時(shí)還應該使這種改變相對容易, 比較通用, 并且與芯片的其它設計部分盡量不相關(guān)。為了滿(mǎn)足上述的要求, 在FPGA中嵌入一個(gè)比較理想的選擇, 而這個(gè)即通用又控制簡(jiǎn)單的IP核最好選擇8051微處理器。

在FPGA中植入8051后, 還可在上面實(shí)現簡(jiǎn)單的TCP/IP協(xié)議, 以支持遠程訪(fǎng)問(wèn)或進(jìn)行遠程調試, 這只是在嵌入FPGA的8051上的一個(gè)應用。為了保證用戶(hù)能夠對8051實(shí)現不同的控制操作,設計時(shí)也可以采用一個(gè)外部flash對8051進(jìn)行加載, 這樣, 用戶(hù)只需要將編譯好的匯編語(yǔ)言代碼加到flash就可以控制8051的工作, 而此時(shí)用戶(hù)完全不需要對FPGA進(jìn)行操作就能實(shí)現簡(jiǎn)單的控制,而這需要的僅僅只是keil的編譯環(huán)境。

1 IP核8051的FPGA實(shí)現

現在有許多免費的8051核可以利用, 這些核都可通過(guò)硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現, 并且基本上都可綜合, 也就是直接拿來(lái)就能用, 需要的只是根據自身的具體需求做一些簡(jiǎn)單修改即可?？偟恼f(shuō)來(lái), IP核8051的移植是比較簡(jiǎn)單的。

本系統的設計與實(shí)現可以采用oregano system的mc8051內核, 并且加入定時(shí)計數的和串口模塊, 8051單片機的設計結構框圖如圖1所示。

在8051核的FPGA設計中, 完全可以實(shí)現包括計時(shí)/計數、中斷、串口、數據及程序存儲器、特殊寄存器、布爾處理的位處理機等的所有功能, 而且兼容所有指令, 只是在具體的移植過(guò)程中做一些改變而已。
這種方法對程序存儲器不再做內外之分, 因為FPGA內部存儲容量已經(jīng)能夠滿(mǎn)足要求, 同時(shí)將程序存儲器的容量擴大了一倍 (變?yōu)?KB), 以滿(mǎn)足大程序的容量需求; 為了讓8051更為強大且更具有通用性, 可將數據存儲器RAM的容量擴大一倍, 變?yōu)?56字節?？梢钥闯? 在設計過(guò)程中將8051的功能也進(jìn)行了加強, 但是并不影響對它的控制, 僅僅是在硬件上對存儲器的容量進(jìn)行了擴大, 而這種擴大只是改變了地址線(xiàn)的寬度, 完全不影響111條指令的正確執行。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)這只是可以使用的內部RAM增加了, 控制并沒(méi)有任何改變。當然, 在資源比較緊張, 而且程序容量比較小時(shí), 也可以將存儲器的容量改小, 這種改變也相當方便, 只需要改變地址線(xiàn)的寬度就能達到目的。由此可見(jiàn), 設計時(shí)完全可以根據需要改變IP核的設計, 而不局限于8051。

雖然整個(gè)8051IP核能正確執行所有指令, 并能實(shí)現串口、計時(shí)器及中斷控制, 且整個(gè)IP的核工作時(shí)鐘也在20 MHz以上, 但是, 由于這時(shí)候的所有指令周期并不與真實(shí)的8051完全一致, IP核中有的指令需要比真正的8051多執行幾個(gè)周期才能完成, 這就使得分析IP核的工作時(shí)鐘復雜起來(lái)了, 因為相對于真正的8051不能有一個(gè)精確的工作時(shí)鐘對比。但是經(jīng)過(guò)分析仍然可以認為, IP核應該可以工作在15 MHz左右, 也就是比真實(shí)的8051快了15倍左右。這對于芯片整體來(lái)說(shuō), 其速度可能相對較低, 但是由于這部分與芯片其它部分的邏輯相關(guān)性極小, 所以并不會(huì )影響芯片的整體性能, 而對于一些簡(jiǎn)單控制來(lái)說(shuō), 這個(gè)速度還是能夠滿(mǎn)足要求的。

2 UIP協(xié)議棧

2.1 UIP簡(jiǎn)介

在FPGA中實(shí)現TCP/IP協(xié)議的主要目的是為了滿(mǎn)足設計人員對芯片的遠程調試。而滿(mǎn)足這種要求實(shí)際上并不需要很強大和快速的傳輸功能。功能過(guò)于強大將會(huì )占用過(guò)多的資源, 而且實(shí)際上, 很多功能并沒(méi)有實(shí)際作用; 同時(shí)也不需要很快的傳輸速度。畢竟對于一個(gè)芯片的設計來(lái)說(shuō),無(wú)論是設計文檔或是設計程序, 容量都是非常有限的。綜合考慮, 則應選擇一個(gè)實(shí)現簡(jiǎn)單、占用資源少, 但能夠比較穩定地進(jìn)行數據傳輸的協(xié)議, 為此, 本文選擇了相對簡(jiǎn)單的UIP協(xié)議棧,而放棄了功能比較強大的LWIP協(xié)議棧。選擇UIP還有一個(gè)好處, 就是這個(gè)協(xié)議棧是專(zhuān)門(mén)針對單片機等微控制器設計的TCP/IP協(xié)議棧, 它能夠利用嵌入的IP核8051來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議, 而不再需要額外的邏輯單元。

UIP的特點(diǎn)是代碼量和數據量都比較小, 因而可以為存儲器比較緊張的地方提供合適的實(shí)現方案, 包括TCP/IP所需的最小實(shí)現方案和只包含TCP、IP、ICMP (ping) 以及簡(jiǎn)單的UDP協(xié)議, 其具體的實(shí)現方法如圖2所示, 圖2中, 帶“×”的表示已經(jīng)實(shí)現。

2.2 UIP協(xié)議棧的實(shí)現方法

通過(guò)UIP可實(shí)現TCP/IP協(xié)議集的四個(gè)基本協(xié)議, 包括ARP地址解析協(xié)議、IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議,ICMP網(wǎng)絡(luò )控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位、16位處理器上應用, UIP協(xié)議棧在實(shí)現各層協(xié)議時(shí)采用有針對性的方法來(lái)保證代碼大小和存儲器使用量最小。

實(shí)現ARP地址解析協(xié)議時(shí), 為節省存儲器,ARP應答包可直接覆蓋ARP請求包; 而在實(shí)現IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議時(shí), 則對原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化, 并沒(méi)有實(shí)現分片和重組; 當實(shí)現ICMP網(wǎng)絡(luò )控制報文協(xié)議時(shí), 只需實(shí)現echo (回響) 服務(wù)。UIP在生成回響報文時(shí), 并不重新分配存儲器空間, 而是直接修改echo請求報文來(lái)生成回響報文。設計時(shí)可將ICMP類(lèi)型字段從“echo”改變成 “echo re-ply”類(lèi)型, 并重新計算校驗和修改校驗和字段。UIP里的TCP沒(méi)有實(shí)現發(fā)送和接收數據的滑動(dòng)窗口。每個(gè)TCP連接的狀態(tài)均由uip_conn結構保存。uip_conn結構包括當地和遠端的TCP端口編號、遠程主機的IP地址、重發(fā)時(shí)間值、上一段重發(fā)的編號以及連接段的最大尺寸等信息。uip_conn結構數組可用于保存所有的連接, 數組的大小等于可支持同時(shí)連接的最大數量。為了減少儲存器的使用量, 在處理重發(fā)時(shí), UIP并不緩存發(fā)送的數據包, 而是由應用程序在需要重發(fā)時(shí)重新生成發(fā)送的數據。

2.3 UIP協(xié)議棧的接口

為了UIP協(xié)議棧能具有最大的通用性, 在實(shí)現時(shí)可將底層硬件驅動(dòng)和頂層應用層之外的所有協(xié)議集“打包”在一個(gè)“庫”里。協(xié)議棧通過(guò)接口與底層硬件和頂層應用進(jìn)行通信。通過(guò)這種方式可使uIP具有極高的通用性和獨立性, 以便移植到不同的系統和方便地實(shí)現不同的應用, 很好的體現TCP/IP協(xié)議平臺無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)。UIP協(xié)議棧與系統底層和應用程序之間的接口如圖3所示。圖中, 各接口之間都是由一系列函數來(lái)實(shí)現的。

3 UIP協(xié)議棧在IP核8051上的實(shí)現

3.1 UIP協(xié)議棧在IP核8051上的移植

由于UIP協(xié)議棧是專(zhuān)門(mén)針對微處理器編寫(xiě)的,所以移植也是非常的方便, 但需注意以下幾點(diǎn):



(1) 協(xié)議棧是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的, 故在移植時(shí)需要再加上兩個(gè)頭文件, 一個(gè)是8051的頭文件, 另一個(gè)是8051的硬件初始化頭文件;

(2) 通過(guò)keil c編譯器編譯時(shí), 在選器件時(shí)需要注意, 只有選取數據寄存器為256個(gè)字節才能順利通過(guò)編譯, 這也是為什么前面8051IP核的數據存儲器RAM需要擴展至256個(gè)字節的原因。不對RAM進(jìn)行擴展, 就會(huì )出現“不能寫(xiě)B9地址”的錯誤, 因為在沒(méi)有對RAM擴展前, 根本不存在B9地址;

(3) 將軟件keil編譯生成的hex文件送入到8051的程序存儲器, 即可在IP核8051上實(shí)現簡(jiǎn)單的TCP/IP協(xié)議。這在軟件測試時(shí), 與實(shí)際工作將有所不同。軟件測試時(shí)需要將hex文件作為程序存儲器的初始化輸入, 即在EDA軟件編譯8051時(shí), 將程序存儲器的初始化文件mif的路徑設置為hex所在的路徑, 在完成綜合布線(xiàn)后, hex文件的內容就進(jìn)入了程序存儲器。這樣, 仿真時(shí)就能在8051IP上實(shí)現TCP/IP協(xié)議了。

3.2 UIP的工作流程

TCP/IP協(xié)議在嵌入到FPGA的IP核8051上的工作流程, 實(shí)際上也是簡(jiǎn)化后的TCP/IP協(xié)議的工作流程, 這跟正式的TCP/IP協(xié)議有所不同。下面的工作流程以輸入一個(gè)同步幀 (即: 三向握手的第一次握手) 為例。對于8051實(shí)現的UIP來(lái)說(shuō), 它屬于被動(dòng)建立連接, 其正確的輸出結果應該是三向握手的第二次握手, 送出一個(gè)確認同步幀是所期望的結果。

下面簡(jiǎn)單介紹UIP的整個(gè)工作流程:

(1) 在P0端口有數據前, 讀取數據函數并反復執行, 以對P0端口進(jìn)行監視 (此種情況只是在測試時(shí), 實(shí)際工作中物理層通過(guò)控制信號通知讀數函數P0口是否有數據);

(3) 為信號的第8級分解小波模極大值圖; (4) 為信號各級 (共9級) 的高頻分量即小波系數。

由圖4可以看出, 該故障信號分析儀能有效采集實(shí)時(shí)故障信號, 并可在對信號經(jīng)過(guò)小波分析后有效的提取故障特征, 而且故障點(diǎn)定位明顯。

5 結束語(yǔ)

該便攜式接觸網(wǎng)故障信號分析儀采用圖形化程序設計語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW開(kāi)發(fā)設計, 可實(shí)現數據的高速實(shí)時(shí)采集、在線(xiàn)分析、自動(dòng)存儲、顯示等功能。高速數字化儀NI PXI- 5112卡采樣速度高、性能穩定可靠, 適宜對高速變化信號的實(shí)時(shí)監測。將軟件安裝在PXI- 1042工控機上, 具有體積小、抗干擾能力強、攜帶方便等特點(diǎn), 同時(shí)具有故障性質(zhì)判斷、故障定位功能。該系統目前已經(jīng)在石家莊變電所現場(chǎng)運行, 效果良好。

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