在FPGA中實現嵌入式TCP／IP通信協議棧

引言

隨著電子信息技術的發展，網絡化日益普遍，以太網被廣泛應用到各個領域，只要在設備上增加一個網絡接口并實現TCP/IP協議，就可以方便地接入到現有的網絡中，完成遠程數據傳輸的相關功能。因此，嵌入式網絡技術一直是關注的焦點，目前已經廣泛應用于通信、工業控制、消費電子等各個領域。近年來，隨著可編程邏輯器件的飛速發展，人們開始考慮將整個嵌入式系統集成到單片FPGA中實現，其中也包括了以太網的嵌入式片上系統。

本文從實際應用出發，以Xilinx FPGA的軟核CPUY MicroBlaze IPCore搭建的片上系統(System—on—Chip)，構建了嵌入式網絡硬件開發平臺，實現了TCP/IP通信協議棧LwIP(Light-weight Internet Protocol)在實時操作系統Xilkernel上的移植。詳細介紹了其軟硬件的系統組成和原理，闡述了FPGA的片上系統配置，及其驅動層和協議棧層軟件的結構，并給出部分關鍵源碼。

1 系統硬件平臺設計

Xilinx為嵌入式網絡通信解決方案提供了廣泛的組件和資源。Xilinx嵌入式解決方案的一個主要優點是其處理器、IP內核以及軟件組件的靈活性和可擴展能力，其強大的靈活性允許用戶根據需要開啟或禁止處理器、IP內核以及軟件平臺的選項和高級功能，并且可以對許多獨立參數進行精細調整，直到在軟件級滿足應用要求。

系統采用Xilinx公司的FPGA芯片XC5VFX70T為硬件設計平臺，以MicroBlaze軟核作為中央處理器，以VHDL硬件描述語言實現協處理功能模塊，以片上總線連接MicroBlaze處理器和外圍設備(IP)來搭建嵌入式片上系統。

Xilinx以IBM CoreConnect總線通信鏈作為嵌入式處理器的片上總線，提供了豐富的接口資源，主要有PLB(Processor Local Bus，處理器本地總線)接口、高速的LMB(Local Memory Bus，本地存儲器總線)接口、FSL(Fast Simplex Link，快速單連接)主從設備接口、XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx緩存鏈路)接口。PLB總線可將外設IP核連接到Micro Blaze系統中，常用在速度要求不高的場合;LMB專門用于實現對片上塊RAM的高速訪問;XCL則用于實現對片外存儲器的高速訪問。FSL是MicroBlaze處理器特有的一個基于FIFO的單向鏈路，可實現用戶自定義IP核與MicroBlaze內部通用寄存器的點對點直接相連，一般用在傳輸速度要求較高的場合。

已實現的系統由MicroBlaze處理器、ILMB總線、DLMB總線、Block RAM、DDR SDRAM、10/100/1000 Soft TEMAC、GPIO接口、UART16550串口、PLB TIMER定時器，以及基于PLB總線技術的DDC(數字下變頻)自定義IPCore和基于FSL總線技術的FFT(快速傅里葉變換)自定義IPCore組成。設計的系統架構如圖1所示，整個系統在Xilinx的EDK開發工具中構建，具有完全的可編程特性，可根據不同任務需求來更改相關的配置參數。

2 系統軟件平臺設計

2. 1 LwIP協議棧

LwIP是一個開源TCP/IP協議棧，在實現TCP/IP協議棧主要功能的基礎上減少了對RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運行，因此非常適合在硬件配置較低的嵌入式系統中使用。EDK為LwIP庫提供了良好的接口，并為Xilinx公司TEMAC IP核提供了適配器，在EDK工程中方便地應用LwIP協議棧實現網絡功能。LwIP具有如下特點：

①支持多網絡接口下的IP轉發;

②支持ICMP協議;

③包括實驗性擴展的UDP(用戶數據報協議);

④包括阻塞控制、RTT估算以及快速恢復和轉發的TCP(傳輸控制協議);

⑤提供專門的內部回調接口(Raw API)用于提高應用程序性能;

⑥可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下);

⑦在最新的版本中支持PPP;

⑧新版本中增加了的IP fragment的支持;

⑨支持DHCP協議，動態分配IP地址。

在Xilinx的嵌入式開發工具EDK中，LwIP的版本為lwip130，即LwIP的v1.3.0版本。LwIP庫提供了RAW模式和Socket模式兩類API函數，前者面向高性能，后者面向通用性，提供一組標準的Socket API接口函數。

2.2 Xilkemel實時操作系統

Xilkernel是Xilinx公司提供的用于EDK系統的小型、模塊化的嵌入式實時操作系統，支持MicroBlaze、PowerPC405以及PowerPC440處理器。Xilkernel是一種專用的嵌入式操作系統，內核完整，占用CPU資源較少，運行速度快，內核響應時間間隔最短可設置為1 ms，且與EDK生成的硬件系統緊密結合，具有可定制的特點，支持可移植操作系統接口(PO SIX)，是中小型設計的理想操作系統。其內部結構如圖2所示。

Xilkernel本身不帶有文件處理系統和TCP/IP協議棧，但與LwIP庫具有良好的接口，且支持LibXil MFS文件系統庫，因此，也可形成較為復雜的嵌入式系統。其具有如下特點：

①內核配置功能都已集成到EDK工具中，使用簡單、方便;

②內核啟動時，靜態創建線程，而動態分配內存;

③可加載或卸載不同的功能模塊來實現內核的擴展性;

④提供了一套符合POSIX的API用戶程序接口函數;

⑤所有系統調用函數帶有參數合法性檢查保護，并返回符合POSIX的錯誤代碼。

3 TCP/IP通信協議實現及測試

3.1 Socket應用程序開發

LwIP Socket API是建立在XilKernel操作系統多線程任務基礎上的，與BSD標準的Socket API非常相似，具有開發難度較小、便于用戶調用的特點，可滿足一般網絡應用的要求。使用LwIP的Soeket模式，首先要在初始化線程中調用lwip_init()函數對LwIP協議棧進行初始化，再使用sys_thread_new()函數來產生一個新的線程，即進入主線程。在主線程中首先通過xemac_add()函數來添加網絡接口，然后為xemacif_input_thread()函數單獨開啟一個線程，將從中斷響應過程中接收到的數據包移植到LwIP的xemacif_input_thre ad()函數運行的線程中，該線程在LwIP數據包到達時發出通知，并通過接收中斷句柄將數據存在緩沖中。以下為主線程中添加的網絡接口程序代碼：

通過上述步驟后，就可使用Socket編程建立網絡服務器。

3. 2 網絡數據傳輸性能測試

使用RJ45交叉以太網線將Xilinx XC5VFX70T開發板和PC機直連。PC機作為TCP/IP的客戶端，Xilinx XC5VFX70T開發板作為TCP/IP的服務端，客戶端經連接響應后，高速向服務器端連續發TCP包。服務端接收到數據后計算接收到的數據總量，不做其他處理。使用iperf網絡測試軟件測試系統網絡直接發送數據的性能。

Socket模式下網絡發送速率為27.2 Mb/s，其iperf服務器端顯示結果如圖3所示。

為了檢測本文開發的應用程序中數據發送的速率及其準確度，在計算機端使用LabView軟件開發網絡服務客戶端接收本系統的數據，并將數據記錄為DAT文件，使用多特Net PerSec網絡測試軟件測試網絡的當前速率和平均速率。在寫數據速率為24.1 Mb/s時，NetPerSec顯示網絡接收平均速率為24.8 Mb/s;記錄的DAT文件顯示圖形中無跳變點，數據無丟失，NetPerSec截圖及DAT文件顯示圖形如圖4所示。

寫數據速率為24.3 Mb/s時，NetPersec顯示網絡接收平均速率為25.4 Mb/s;記錄的DAT數據顯示圖形中間出現跳變點，說明有數據包丟失，NetPersec截圖及DAT數據顯示圖形如圖5所示。

測試結果表明，使用LwIP協議棧Socket模式進行網絡數據傳輸，可實現網速為24.8 Mb/s、接收偵察信號帶寬為750 kHz的穩定數據傳輸。

結語

本文研究了TCP/IP通信協議在Xilinx公司FPGA上的實現，介紹了其軟硬件的系統組成及原理。其功能可根據需要進行定制，不但引入了軟核處理器和嵌入式操作系統ilker nel，而且應用了LwIP TCP/IP協議棧，同時使用了大量的IP核，系統構建非常靈活。其軟硬件部分的設計采用分離的設計架構，使得整個系統修改和重構更加方便，真正實現了嵌入式片上系統。