基于nios ii嵌入式軟核處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案

1 引言

隨著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(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)新的趨勢(shì)就是開(kāi)始在嵌入式設(shè)備上集成網(wǎng)絡(luò)通信功能，比如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，以便于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行信息的交互和增強(qiáng)系統(tǒng)的互連性，僅僅需要一根網(wǎng)線就可以輕輕松松完成系統(tǒng)的互連。

目前市場(chǎng)上的嵌入式處理器的種類很多。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、高性價(jià)比的fpga器件，使得嵌入式系統(tǒng)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)，與專用硬件相比靈活性得有很大的優(yōu)勢(shì)，從而使得fpga器件在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行處理器的配置，以達(dá)到資源的合理使用，其性能可以超過(guò)200dmips。nios ii采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令及數(shù)據(jù)緩沖，而且支持用戶自定義指令（最多256個(gè)）以擴(kuò)展cpu指令集，提升系統(tǒng)的性能，為可編程片上系統(tǒng)（sopc）設(shè)計(jì)提供了一套完整的解決方案。nios ii提供了三種內(nèi)核：nios ii/f是一種高性能的內(nèi)核，速度最快但消耗的資源最多；nios ii/e是低成本內(nèi)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(nèi)核。本設(shè)計(jì)采用的是nios ii/s內(nèi)核。

nios ii的優(yōu)勢(shì)就在于其靈活性，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活的配置和裁剪?；趎ios ii軟核的系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用altera公司提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，很大程度上縮短開(kāi)發(fā)周期，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的任何階段要都可以很方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。fpga器件豐富的邏輯資源，結(jié)合nios ii強(qiáng)大的處理能力，將為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的解決方案。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 1 系統(tǒng)模塊圖

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。設(shè)計(jì)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(shè)備和協(xié)議棧的運(yùn)行。而且添加了一個(gè)計(jì)算校驗(yàn)和的用戶指令（cal_checksum）。

片上ram用作內(nèi)存運(yùn)行程序；flash使用了sharp公司的lh28f160s3t-l13a，用來(lái)存儲(chǔ)程序和配置信息，系統(tǒng)上電后，先將程序從flash中拷貝到片上ram運(yùn)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(tǒng)時(shí)，需要加上altera免費(fèi)提供的lan9c111接口控制器，嵌入式設(shè)備通過(guò)lan9c111就可以接入以太網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)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(shù)據(jù)，其中sdram控制器使用altera免費(fèi)提供的sdram控制器。

要提高系統(tǒng)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(fèi)時(shí)間的模塊使用硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的運(yùn)行過(guò)程中，最耗費(fèi)時(shí)間的是校驗(yàn)和的計(jì)算，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)量非常大的時(shí)候。為此，專門用硬件定制了一個(gè)用戶指令校驗(yàn)和計(jì)算指令（cal_checksum），對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算實(shí)現(xiàn)硬件加速，作為一個(gè)指令添加到niosii系統(tǒng)中，在協(xié)議棧程序中調(diào)用來(lái)縮短計(jì)算校驗(yàn)和的時(shí)間，提高處理速度，達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。

2.3 校驗(yàn)和計(jì)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(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度很大時(shí)。所以在設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的計(jì)算采用硬件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為niosii的一個(gè)用戶自定義指令，以提高校驗(yàn)和計(jì)算的速度。在協(xié)議棧的移植過(guò)程中，將數(shù)據(jù)的寬度修改為16位，方便最后將16位校驗(yàn)和的計(jì)算結(jié)果添加到相應(yīng)的域。

校驗(yàn)和的計(jì)算需要很多個(gè)時(shí)鐘周期才能完成，所以校驗(yàn)和計(jì)算指令使用了multi-cycle用戶指令結(jié)構(gòu)。multi-cycle用戶指令的端口操作有：固定長(zhǎng)度和可變長(zhǎng)度。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度是不斷變化的，所以校驗(yàn)和計(jì)算指令選擇可變長(zhǎng)度操作，這也影響到端口信號(hào)的選擇。

multi-cycle用戶指令結(jié)構(gòu)的信號(hào)有：reset，clk，clk_en，start，dataa［31:0］，datab［31:0］，done，result［31:0］。其中除了reset，clk，clk_en三個(gè)信號(hào)外，其他信號(hào)都是可選的，要根據(jù)具體的應(yīng)用選擇。本設(shè)計(jì)中校驗(yàn)和計(jì)算指令用到了start，dataa［31:0］，done，result［31:0］。start信號(hào)作為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，dataa［31:0］為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，當(dāng)校驗(yàn)和計(jì)算完成時(shí)done信號(hào)有效，通知cpu讀取result端口上的數(shù)據(jù)，因此計(jì)算校驗(yàn)和指令邏輯必須確保當(dāng)done信號(hào)有效時(shí)，result端口上的數(shù)據(jù)有效。

在sopc builder中添加校驗(yàn)和計(jì)算指令，然后重新產(chǎn)生系統(tǒng)，再在quartusii中更新并編譯，在ide的重新編譯一次工程，系統(tǒng)庫(kù)中的“system.h”文件包含校驗(yàn)和計(jì)算指令的宏定義如下：

#define alt_ci_cal_chksum_n 0x00000000

#define alt_ci_cal_chksum（a） __builtin_custom_ini（alt_ci_cal_chksum_n，（a））

用戶只需要在源文件中將計(jì)算校驗(yàn)和部分使用上面的宏做相應(yīng)的替換就可以，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)這再簡(jiǎn)單不過(guò)了，就像是調(diào)用一個(gè)子函數(shù)。由此可見(jiàn)，基于niosii軟核處理器開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，具有一般嵌入式處理器不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

協(xié)議棧使用了現(xiàn)在在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)很成熟的uip。如果使用altera提供的lwip協(xié)議棧，那么就得考慮其在嵌入式操作系統(tǒng)上的移植，這樣無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和代碼量。

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是uip協(xié)議棧在nios ii上的移植。針對(duì)niosii的特點(diǎn)，將uip做適當(dāng)?shù)男薷?，使niosii處理器的處理能力得到充分發(fā)揮，提高系統(tǒng)的性能。uip原來(lái)是針對(duì)8位處理器的，現(xiàn)在將其修改為16位，這樣理論上處理能力就提高了一倍，系統(tǒng)的性能也就提升了一倍。

根據(jù)tcp/ip模型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用網(wǎng)絡(luò)接口芯片lan9c111完成；網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議解析在niosii中由嵌入式tcp/ip協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層由用戶根據(jù)需要編寫。各個(gè)模塊合起來(lái)共同完成網(wǎng)絡(luò)通信功能。

3.1 底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫

lan9c111芯片的底層驅(qū)動(dòng)是由altera免費(fèi)提供的，可以調(diào)用這些底層驅(qū)動(dòng)來(lái)完成初始化、通信建立、監(jiān)聽(tīng)等通信功能。這些底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)是已經(jīng)封裝好的，用戶不需要了解其細(xì)節(jié)就可以編寫網(wǎng)絡(luò)通信程序，但是為了進(jìn)行高級(jí)的開(kāi)發(fā)，必須對(duì)整個(gè)程序的工作機(jī)制有一定的了解。

幾個(gè)主要的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)完成啟動(dòng)、復(fù)位和初始化phy、以太網(wǎng)packet的收發(fā)及中斷處理函數(shù)等工作：

static void r_lan91c111_enable（）：用于啟動(dòng)芯片工作，使能發(fā)送和接收。

int nr_lan91c111_reset（）：對(duì)芯片盡心復(fù)位。

static int r_lan91c111_init_phy（ ）：完成物理層芯片的初始化。

int nr_lan91c111_set_irq（）：設(shè)置芯片的中斷

上層的通信程序調(diào)用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的控制，通信功能的實(shí)現(xiàn)以此為基礎(chǔ)。

3.2 通信軟件的實(shí)現(xiàn)

通信軟件完成設(shè)備之間通信的主要功能，主要是uip協(xié)議棧的。傳輸層實(shí)現(xiàn)了tcp和udp，這在軟件設(shè)計(jì)時(shí)就需要做不同的考慮，不同的數(shù)據(jù)傳輸需求要求使用不同的傳輸層協(xié)議，比如，實(shí)時(shí)性要求高的傳輸應(yīng)用就要求使用無(wú)連接的udp協(xié)議；對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高并且要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘膽?yīng)用使用面向連接的、可靠的tcp協(xié)議可以保證傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

程序框架如下：

main（）

｛

netif_init（）; // 網(wǎng)絡(luò)接口初始化

uip_init（）; // 協(xié)議棧初始化

arp_table_init（）; // arp 表初始化

netconn_new（） // 建立新的連接

netconn_bind（） // 綁定端口號(hào)

netconn_listen（） // 偵聽(tīng)端口

while（1）

｛

if （收到數(shù)據(jù)）｛

…… // 處理接收的數(shù)據(jù)

｝

else if（發(fā)送數(shù)據(jù)）｛

…… // 發(fā)送數(shù)據(jù)

｝

else

…… // 返回準(zhǔn)備下次處理

｝

｝

圖2是軟件處理流程。

圖2 通信軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用niosii進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于sopc builder工具的強(qiáng)大系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能再加上niosii ide集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)，并且系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。在該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，使用了嵌入式領(lǐng)域非常成熟的uip，并且是開(kāi)放源代碼的，所以對(duì)uip的移植非常的方便，只是對(duì)其進(jìn)行修改以最大限度的發(fā)揮niosii處理器的特點(diǎn)，再加上簡(jiǎn)單靈活的用戶自定義指令，對(duì)系統(tǒng)性能的提升起到很大作用。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)在硬件上經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證，可以進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，并已經(jīng)應(yīng)用于一個(gè)要求遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信功能的數(shù)據(jù)處理機(jī)系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：gt