NIOS在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

田青峰，盧泳兵，劉志鵬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為很多系統(tǒng)的標準接口，IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口具有接口豐富、簡單和容易二次開發(fā)等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。隨著設(shè)備小型化需求的增強，嵌入式的IP處理平臺研究和應(yīng)用越來越廣。NIOS軟核和μC/OS-II以低功耗、低成本、高實時性成為應(yīng)用廣泛的一個開發(fā)平臺，該平臺軟、硬件均可按照用戶要求進行配置，最大程度地提高了系統(tǒng)的設(shè)計靈活性。

NIOS是ALTERA推出的一種軟核處理器，是一種完全面向用戶、高度可定制的通用精簡指令架構(gòu)(RISC)的32位嵌入式CPU。用戶使用SOPC工具對所使用的軟核進行包括CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令集補充等的高級設(shè)計，并由QUARTUS工具綜合生成可以運行在FPGA內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)。NIOS的優(yōu)勢在于其靈活性，其可以根據(jù)用戶需要進行靈活的配置和裁剪。并且，NIOS內(nèi)部所有外設(shè)通過統(tǒng)一的Avalon總線與CPU相連，提高了CPU對外設(shè)控制的效率。

1 平臺組成

開發(fā)平臺主要由FPGA與片外SRAM存儲器IDT71V416、片外 FLASH 存儲器 AM29LV065D、網(wǎng)絡(luò)接口芯片LXT971A以及其他部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 NIOS與SRAM及FLASH接口的實現(xiàn)

FPGA支持2種啟動模式:從外部EPCS串行存貯器中啟動和從外部并行FLASH中啟動。本例中由于EPCS串行存貯器片內(nèi)資源有限，所以選擇使用片外FLASH作為程序存貯器，并從其中啟動。NIOS的程序可以存儲在片內(nèi)RAM中。本文使用ALTERA的EP2C35F484芯片作為載體，而該片內(nèi)RAM容量為483 840 bits，這對于移植一個標準版的μC/OS-II是遠遠不夠的，所以使用片外SRAM作為數(shù)據(jù)存儲器，用作數(shù)據(jù)存儲器及堆棧，F(xiàn)LASH用作程序存儲器，用來保存用戶程序。

2.1 user_defined_interface的端口定義

SRAM與FLASH(CFI接口)是NIOS認可的標準外設(shè)，具有訪問的標準讀寫時序。SOPC也提供了相應(yīng)的HAL的實例user_defined_interface，user_defined_interface是一個標準的AVALON總線接口，可以提供讀寫時序、控制信號，如讀寫端口、數(shù)據(jù)總線和地址總線等。按照AVALON總線端口類型和位寬等分別建立端口，可以提供對 SRAM的訪問［1］。建立的端口如表1所示。

表1 user_defined_interface端口類型

表1中，s_Data和s_Addr共享表示FLASH和SRAM共享數(shù)據(jù)總線和地址總線，由SOPC分配不同的地址空間來分別訪問。由于FLASH和SRAM共享地址空間，需要通過三態(tài)門來分配CPU對2個空間的訪問。

2.2 FLASH和SRAM的地址對齊

由于FLASH和SRAM共享數(shù)據(jù)端口，而SRAM是16位數(shù)據(jù)位寬，F(xiàn)LASH是8位數(shù)據(jù)位寬，二者共用數(shù)據(jù)總線就引發(fā)了地址對齊問題。不管Avalon master的端口寬度是多少，其地址線的最低位都代表字節(jié)地址，即Avalon master的地址只有一種就是字節(jié)地址。另外，Avalon三態(tài)橋出來的地址Addr也是字節(jié)地址，所以連接Avalon三態(tài)橋的8位數(shù)據(jù)寬度的器件，最低位地址與三態(tài)橋的 Addr0相連;16位數(shù)據(jù)寬度的器件，最低地址位必須和三態(tài)橋的Addr1相連，而不是Addr0。同理，連接Avalon三態(tài)橋的32位數(shù)據(jù)寬度的器件，其最低地址位必須和三態(tài)橋的 Addr2 相連［2］。

3 μC/OS-II的移植

完成NIOS和FLASH以及SRAM的連接，即完成了硬件平臺的搭建，可以基于此平臺移植μC/OSII。與很多嵌入式操作系統(tǒng)一樣，μC/OS-II也不具有通用性，用戶要在目標處理器上創(chuàng)建一個多任務(wù)的實時嵌入式系統(tǒng)，首先要將操作系統(tǒng)移植到目標處理器上，然后在移植好的操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)應(yīng)用程序［3］。在操作系統(tǒng)上開發(fā)程序，主要是可以依托操作系統(tǒng)的API函數(shù)、線程操作等，實現(xiàn)一些較復(fù)雜的算法和功能。

3.1 與編譯器有關(guān)的部分移植

因為不同的處理器有不同的字長，為了保證μC/OS-II的可移植性，就必須定義μC/OS-II認可的數(shù)據(jù)格式，而標準C中的short、int和long等數(shù)據(jù)類型是編譯器相關(guān)的，是不被μC/OS-II認可的。μC/OS-II的數(shù)據(jù)類型關(guān)鍵字包括 BOOLEAN、INT8U、INT8S和 INT16U等，在移植 μC/OS-II到NIOS之前，需要將OS_CPU.H中數(shù)據(jù)類型定義的部分進行更改，以適應(yīng)NIOS中GCC編譯器的數(shù)據(jù)類型。

3.2 與硬件相關(guān)的部分移植

μC/OS-II是建立在硬件平臺上的內(nèi)核，當然需要對底層硬件進行操作。μC/OS-II的移植需要用戶編寫4個與硬件平臺相關(guān)的函數(shù):OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和 OSTickISR()［4］。

3.3 μC/OS-II多任務(wù)的實現(xiàn)

μC/OS-II為占先式的實時內(nèi)核，支持多任務(wù)操作，并且每個任務(wù)都有自己的堆棧，這樣就清晰了各任務(wù)之間的界限，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。μC/OS-II還提供了很多的系統(tǒng)服務(wù)，例如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內(nèi)存的申請和釋放、時間函數(shù)等，并且還支持多達255層的中斷嵌套。利用這些系統(tǒng)服務(wù)就能完成復(fù)雜邏輯的要求。

首先在主函數(shù)中調(diào)用OSInit()函數(shù)初始化系統(tǒng)，然后建立用戶任務(wù)，最后調(diào)用 OSStart()函數(shù)啟動多任務(wù)。當然，在建立主函數(shù)之前必須定義各個任務(wù)的堆棧，系統(tǒng)的全局變量和相關(guān)宏［5］。

有關(guān)μC/OS-II的移植，任務(wù)實現(xiàn)及其他相關(guān)操作請參見文獻［1］。

4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)

LXT971A是Intel公司生產(chǎn)的單端口10/100 Mbps以太網(wǎng)收發(fā)器。該模塊集成了IEEE802.3協(xié)議，提供MII(Media Independent Interface)接口，可以支持物理層數(shù)據(jù)處理。

LXT971A通過一個變換器(Transformer)與外部線路相連，實現(xiàn)內(nèi)外電路電平轉(zhuǎn)換。在發(fā)端，編解碼器將MAC層數(shù)據(jù)并串變換，編解碼為曼徹斯特碼并發(fā)送給變換器。在收端則是一個相反的過程。CPU從LXT971A收到的數(shù)據(jù)中讀取到該數(shù)據(jù)幀的源地址以及目的地址，得到外部設(shè)備的地址以及數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址。經(jīng)過NIOS的處理，生成相應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.1 μC/OS-II與LXT971A的數(shù)據(jù)交換

μC/OS-II是多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部建立專門的讀寫任務(wù)，通過AVALON總線對外部雙口RAM進行讀寫，實現(xiàn)與LXT971A的數(shù)據(jù)交換。

在數(shù)據(jù)發(fā)送時，AVALON總線將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包寫入雙口RAM中，發(fā)模塊(NET_T)負責將雙口RAM中的以太網(wǎng)包由 MII接口寫入 LXT971A［6］。由于NIOS組幀是按字節(jié)處理的，而MII接口是半字節(jié)，因此，在雙口RAM與發(fā)模塊之間需要進行字節(jié)到半字節(jié)的轉(zhuǎn)換(D8TO4)。在數(shù)據(jù)接收時，將MII的半字節(jié)轉(zhuǎn)換成字節(jié)(D4TO8)，再寫入雙口RAM，由指示NIOS進行讀取。數(shù)據(jù)交換以雙口RAM為緩存介質(zhì)，全部以硬件獨立完成，不需要軟件的干預(yù)，這樣實現(xiàn)的一個好處就是實現(xiàn)了 NIOS和LXT971A的硬隔離，在NIOS里不需要對LXT971A的時序進行控制，而專心處理數(shù)據(jù)信息，提高了信息的處理速度［7］。

4.2 μC/OS-II中簡單IP協(xié)議的移植

CPU通過LXT971接口與外部網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。TCP/IP協(xié)議棧就是CPU與外部接口的協(xié)議。基于TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)ARP協(xié)議和IP協(xié)議等，在IP協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)ICMP協(xié)議等，以實現(xiàn)CPU與外部的網(wǎng)絡(luò)接口。

TCP/IP協(xié)議棧的工作即是解析與封裝網(wǎng)絡(luò)接口包，當接收到以太網(wǎng)幀時即解析，根據(jù)以太網(wǎng)幀頭部將數(shù)據(jù)包分配給IP協(xié)議處理模塊和ARP模塊等;如果是發(fā)送數(shù)據(jù)，即對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進行封裝，然后發(fā)送至以太網(wǎng)。

在嵌入式系統(tǒng)中，由于資源有限，一般對TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪，只需要實現(xiàn)基本的ARP、ICMP等即足以滿足CPU與外部交換數(shù)據(jù)的需求［8］。

4.3 ARP協(xié)議的實現(xiàn)

地址解析協(xié)議(Address Resolution Protocol，ARP)主要工作是將網(wǎng)絡(luò)地址(IP地址)轉(zhuǎn)換成物理地址(MAC)地址。

ARP工作時，請求主機首先廣播一個含有希望到達的IP地址的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)中所有的主機在收到這個ARP請求后，檢查數(shù)據(jù)包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不一致即忽略此數(shù)據(jù)包，如果一致，則將本機的MAC地址添入一個ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包，返回給網(wǎng)絡(luò)。

ARP的協(xié)議類型字為0x0806，ARP請求操作字為0x01，ARP應(yīng)答操作字為0x02，ARP協(xié)議的以太網(wǎng)包主要字段如圖2所示。在響應(yīng)ARP請求時，如果主機檢測到ARP地址請求目的地址與本機地址相同，則將以太網(wǎng)包內(nèi)目的地址換為發(fā)起主起地址，源地址換為本機地址，將ARP操作字置為0x02，即可完成ARP請求的響應(yīng)［9］。

圖2 ARP協(xié)議的以太網(wǎng)包格式

4.4 ICMP協(xié)議的實現(xiàn)

網(wǎng)際控制報文協(xié)議 (Internet Control Message Protocol，ICMP)是網(wǎng)絡(luò)層的差錯和控制報文協(xié)議。ICMP協(xié)議可以通過PING和TRACERT命令網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。PING用于檢測網(wǎng)絡(luò)的可達性，本文主要討論了PING命令的實現(xiàn)。

由于ICMP命令是基于IP的，所以其協(xié)議字為0x0800(IP協(xié)議)。PING請求命令的ICMP協(xié)議字為0x08，PING響應(yīng)命令的ICMP協(xié)議字為0x00。在PING協(xié)議的以太網(wǎng)幀格式主要字段如圖3所示。在響應(yīng)PING命令時，只需要將目的地址與源地址，源IP地址與源目的地址進行交換，不可改變IP數(shù)據(jù)字段部分，即可完成 PING 命令的響應(yīng)［10，11］。這樣，省略了對校驗字段的計算，大大加快了PING命令響應(yīng)的速度。

圖3 PING協(xié)議的以太網(wǎng)包格式

在響應(yīng)PING命令時，只需要在IP層將目的IP地址與源IP地址調(diào)換，目的MAC地址與源MAC地址進行調(diào)換，再將ICMP協(xié)議置位即可。

5 結(jié)束語

硬件方面，通過雙口RAM以信號燈為指示靈活的在操作系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)接口芯片之間進行數(shù)據(jù)交換，保證了信息的實時、快速的傳輸，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理提供了通道;軟件方面，NIOS和μC/OS-II的結(jié)合，從以前的基于硬件的編程提升到基于操作系統(tǒng)的編程，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。在μC/OS-II操作系統(tǒng)上完成簡單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植，實現(xiàn)IP、ARP等協(xié)議的處理，完成了網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計。

［1］ Altera Corporation.SOPC Builder User Guide［M］.USA:Altera Corporation，2012:59-66.

［2］ Altera Corporation.Nios II Processor Reference Handbook V5.1［M］.USA:Altera Corporation，2008:42-43.

［3］ LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS II［M］.邵貝貝，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2003:2-4.

［4］ 胡 玨.基于μC/OS-II的實時多任務(wù)應(yīng)用研究［J］.計算技術(shù)與自動化，2008，27(1):115-119.

［5］ 呂小納，徐力平.μC/OS-Ⅱ在51單片機上的移植［J］.電子設(shè)計工程，2012(6):52-54.

［6］ Intel Corporation.Intel LXT971A Single-Port 10/100 Mbps PHY Transceiver Datasheet［M］.USA:Intel Corp，2005:50-51.

［7］ 趙 研，屈 超，岳新宇.千兆以太網(wǎng)SOPC系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.無線電工程，2006，36(12):10-12.

［8］ 王 珊，程志洪，李 光，等.同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的接口設(shè)計［J］.無線電工程，2009，39(3):53-55.

［9］ 陳 勇，王 群.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中IP地址原理及IP子網(wǎng)的劃分［J］.無線電通信技術(shù)，2000，26(2):57-61.

［10］周兆清，陳立軍.TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星鏈路上的應(yīng)用研究［J］.無線電工程，2006，36(1):47-50.

［11］李士東.開源Linux中IP協(xié)議棧的移植方法［J］.無線電工程，2012，42(6):5-7.