基于FPGA和LAN91C111的嵌入式以太網接口設計

2 軟件設計
ALTERA公司提供的硬件抽象層(HAL)中封裝了系統中硬件的相關細節和驅動程序，用戶可在HAL的基礎上方便地開發存儲等應用程序。
NIOSⅡIDE環境中集成有μCOS II和LWIP，其中LWIP必須在μCOS的支持下使用。μC／OSⅡ是一種免費公開源代碼，結構小巧，而且具有可剝奪
實時內核的操作系統，它可移植、可裁剪，最多可管理64個任務，其每個任務都擁有自己獨立的堆棧，大部分源碼可使用ANSI C語言編寫，整個軟件部分可在NIOS II IDE開發環境下完成。由于程序的內容較多，本文著重介紹LAN91C111的初始化、發送數據、接收數據三個部分的軟件設計方法。
2．1 初始化
ALTERA提供有LWIP的NIOS II端口，其源代碼包含在NIOS II開發工具包中。LWIP可為NIOS II處理器提供對以太網連接棧的快速、開源
地訪問。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封裝，提供有標準的、文檔說明齊全的套接字API。LWIP協議棧的主要接口是標準的套接字接口。
除了套接字接口以外，還可調用lwip_stack_init()函數和lwip_devices_init()函數來對堆棧和驅動程序初始化。通過HAL系統代碼可調用
init_done_func()、get_mac_addr()和get_ip_addr()函數來設置MAC地址和IP地址。為了初始化堆棧，在調用OSStart啟動μC／OS II調度程序之前應調用函數lwip_stack_init()，其原型為voidlwip_stack_init( int thread_prio， void(*init_done_func)(void*)，void*arg)。堆棧初始化后，還必須調用函數init_done_func()，而該函數必須調用函數lwip_devices_init()。利用函數lwip_devices_init()可以對在system．h中定義的所有已安裝的以太網設備驅動程序進行注冊，若返回一個非0值則表示注冊成功。注冊成功后，TCP／IP棧即可使用，之后便可在程序中創建任務。該函數的參數是接收線程的優先級。LWIP系統碼在設備初始化過程中，可通過lwip_devices_init()函數調用函數get_mac_addr()和get_ip_addr()。用戶通過編寫這些函數，可在系統中將MAC和IP地址存放在任意位置，從而代替在設備驅動程序中固定位置的硬編碼，并增加系統的靈活性。設計時，可以將MAC地址存放在Flash存儲器中，也可以將MAC地址存放在片上內嵌的存儲器中。當所有的初始化都準備好后即可調用OSStart()以啟動RTOS進行任務調度。這個過程需要設置以太網目的地址、以太網源地址、協議類型，然后再按照所設置的協議類型來設置數據包。
2．2 數據的發送和接收
數據的接收和發送可采用中斷方式。中斷服務程序通過檢查LAN91C111的中斷狀態寄存器來判斷是發送中斷請求還是接收中斷請求。初始化完成后，即可創建任務，建立套接字，綁定端口，綁定完之后，再監聽端口。當LAN91C111接收到數據包時，可由EPH模塊察看此數據包的目的地址，若為本網卡的MAC地址或廣播地址或多播地址，則把此數據包傳送到LAN91C111的RAM中，并向處理器發送中斷，由處理器進行數據處理。由于采用的是TCP／IP協議，接收數據應調用read()函數來接收建立連接的套接字中的數據，并將其放入緩沖區。發送過程則是由FPGA將數據傳送到LAN91C111，再由LAN91C111將接收到的數據封裝成數據包，并檢測網絡，當沒有數據傳輸時，再將數據包傳輸到網絡中，并向處理器發送中斷信號，以表示數據傳送完畢。發送數據時通過調用write()函數可將要發送的數據發送到指定連接的目的地址。

3 結束語
本文的整個設計使用了邏輯單元(LE)5314個，占用EP2C35F484芯片內部資源的16％，這充分體現了FPGA資源的豐富性。在傳統設計中，通常選用單片機和低速網卡的設計方案，這在實際應用中，網絡速度相對較慢，而本設計中選用高速的以太網控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，極大地提高了系統的網絡數據處理能力，并可滿足網絡數據采集的需求。另外，基于FPGA的NIOSⅡ方案，還可根據實際需要添加不同IP，這也體現了SOPC的靈活性與可裁減性。