基于FPGA的以太網(wǎng)接口設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李 勛 ，劉文怡

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

隨著互聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)接口成為目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)接口，具有接口簡單、通信速度高、傳輸距離遠(yuǎn)、通信協(xié)議完善和工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)以太網(wǎng)常采用主控芯片內(nèi)部編寫以太網(wǎng)協(xié)議或在ARM等高性能處理器上運(yùn)行操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)完成TCP/IP等復(fù)雜的通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信[2]，這兩種解決方案開發(fā)周期長、難度較大、成本較高。然而利用硬件協(xié)議棧芯片，只需要通過簡單的配置和外部線路連接就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸功能，這種方法開發(fā)難度小、集成度高且運(yùn)行穩(wěn)定，已成為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方案[3]。

本文設(shè)計了一種利用FPGA控制硬件協(xié)議棧芯片W5300實(shí)現(xiàn)初始化配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)接口，并利用上位機(jī)UDP調(diào)試助手對其進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了FPGA和上位機(jī)之間通信。

1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的以太網(wǎng)接口以FPGA為核心控制器，采用Xilinx公司Spartan-3系列XC3S400芯片，該芯片具有豐富的邏輯資源，易于配置；以太網(wǎng)接口協(xié)議芯片使用WIZnet公司生產(chǎn)的硬件協(xié)議棧芯片W5300。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理：FPGA通過邏輯程序控制W5300數(shù)據(jù)總線、地址總線及讀寫、數(shù)據(jù)位選擇信號，通過編程控制這些信號實(shí)現(xiàn)對W5300的初始化配置、數(shù)據(jù)讀寫及上位機(jī)通信。上位機(jī)通過UDP調(diào)試助手軟件設(shè)置與接口模塊相對應(yīng)的IP地址，通過發(fā)送“數(shù)據(jù)發(fā)送”和“數(shù)據(jù)接收”命令實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與接口模塊中FPGA通信。

圖1 以太網(wǎng)接口硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ethernet interface hardware structure

硬件協(xié)議棧芯片W5300內(nèi)部集成了10/100 M以太網(wǎng)控制器，MAC和TCP/IP協(xié)議棧，所以CPU不需要編寫復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議，能夠大大地減小硬件接口設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)編程的工作量，降低產(chǎn)品的開發(fā)難度和縮短開發(fā)周期，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)定的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。支持8個獨(dú)立端口同時連接，通信速率最高可達(dá)到80 Mb/s；與主機(jī)接口支持8/16 bit數(shù)據(jù)總線，支持2種主機(jī)接口模式；內(nèi)部有128 KB TX/RX存儲器，可根據(jù)端口通信數(shù)據(jù)吞吐量動態(tài)調(diào)整其分配[4]。

本文設(shè)計的接口主要是通過FPGA設(shè)置BIT16EN信號為高電平，實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)總線工作模式，并采用直接尋址模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速訪問，物理層使用W5300內(nèi)部的PHY，并配置為全功能自動握手運(yùn)行模式，即TEST_MODE[3：0]引腳和OP_MODE[2：0]引腳均接地。在以太網(wǎng)的設(shè)計中，外部接口的設(shè)計不可忽視，它關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目乖肼暷芰头€(wěn)定性以及傳輸距離；在數(shù)據(jù)傳輸過程中為了增強(qiáng)W5300的差分信號抗干擾能力，防止不同電平通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備（在工作過程中，W5300需要3.3 V、1.8 V兩種不同電平），W5300與 RJ45之間采用網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器T1-6T連接，其支持頻率高達(dá)300 MHz，既能滿足高速以太網(wǎng)的頻率要求，又能有效地保護(hù)接口電路。W5300芯片設(shè)有外置指示燈輸出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功時，LINKLED引腳輸出低電平；當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送時，發(fā)送端TXLED輸出低電平，接收端RXLED輸出高電平，通過觀察外置指示燈，可以實(shí)時顯示以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸動態(tài)。W5300以太網(wǎng)接口主要硬件連接原理如圖2所示。

圖2 W5300以太網(wǎng)接口硬件連接原理圖Fig.2 Connection schematic diagram of W5300 Ethernet interface hardware

2 邏輯程序設(shè)計

以太網(wǎng)接口邏輯程序設(shè)計部分主要通過Xilinx ISE12.1軟件平臺，選用硬件描述語言VHDL編寫狀態(tài)機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)FPGA對W5300的配置及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收控制，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與W5300的數(shù)據(jù)通信。

（1）W5300 配置模塊

FPGA對W5300的配置模塊主要包括W5300初始化、對應(yīng)SOCKETn端口配置。W5300的初始化主要分為三個步驟：主機(jī)接口設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置和內(nèi)部TX/RX存儲器的分配。在本文設(shè)計中，主要通過對26個不同寄存器的配置來完成W5300初始化。為了節(jié)省FPGA邏輯資源和靈活配置這些寄存器，F(xiàn)PGA邏輯控制程序調(diào)用了FPGA內(nèi)部的IP核，通過構(gòu)建深度為64B，位寬為16位的只讀單口塊ROM，將需要配置的寄存器的地址和其對應(yīng)的寄存器值依次寫入初始化文件（.coe），并將該文件加載到BLOCK ROM中。在單口塊ROM中，當(dāng)讀使能EN為高電平時有效，時鐘源CLK上升沿時，配置的數(shù)據(jù)從ROM端口輸出，寫進(jìn)W5300數(shù)據(jù)線和地址線，其示意圖如圖3所示。

圖3 單口塊ROMFig.3 Single port block ROM

W5300只支持軟件復(fù)位，所以FPGA在上電后對W5300進(jìn)行軟件復(fù)位。FPGA完成對W5300軟件復(fù)位之后就調(diào)用該IP核實(shí)現(xiàn)對W5300的初始化。本文選用SOCKET1進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，初始化完成之后 FPGA主要對 S1_MR、S1_PORT、S1_CR寄存器寫入對應(yīng)地址和寄存器值實(shí)現(xiàn)對SOCKET1的端口配置，然后打開SOCKET1，并將其設(shè)置為UDP單道通信模式。FPGA完成對W5300配置之后，讀取S1_SSR寄存器值，判斷其是否處于UDP模式，若是則進(jìn)入數(shù)據(jù)通信；反之，將該端口關(guān)閉，返回重新對W5300配置。

（2）W5300 通信控制模塊

以太網(wǎng)接口與上位機(jī)通信包括數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。W5300工作在UDP模式，UDP是一種報文通信協(xié)議，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)不需要像TCP那樣建立SOCKET連接，就可以達(dá)到較高的傳輸速度[5]，其通信流程如圖4所示。

圖4 UDP模式通信流程圖Fig.4 UDP mode communication flow

邏輯控制程序按照圖4通信流程編寫狀態(tài)機(jī)，首先讀取S1_RX_RSR寄存器，查詢W5300是否接到數(shù)據(jù)，若該寄存器接收數(shù)據(jù)字節(jié)長度大于0，則表明接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)處理進(jìn)程中。該進(jìn)程主要負(fù)責(zé)處理內(nèi)部RX存儲器中接收到的UDP數(shù)據(jù)，并將其讀取到FPGA中，數(shù)據(jù)全部讀取完后，執(zhí)行RECV命令，即完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收完成之后跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)發(fā)送查詢，若S1_TX_FSR有足夠剩余空間時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過S1_TX_FIFOR依次寫入到TX存儲器中，并將發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)寫入到S1_TX_WRSR寄存器，然后運(yùn)行SEND命令發(fā)送數(shù)據(jù)，判斷并清除發(fā)送完成、超時中斷，即完成數(shù)據(jù)發(fā)送。最后判斷是否結(jié)束通信任務(wù)，若結(jié)束任務(wù)，則將S1_CR寄存器設(shè)置為 “0x10”，W5300狀態(tài)變?yōu)镾OCK_CLOSED，關(guān)閉SOCKET1端口；反之，返回開始查詢。

在通信過程中，程序的主要負(fù)責(zé)對W5300寄存器的讀寫控制、UDP傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)量較大時，對時序要求就非常嚴(yán)格，若時序不正常，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤或丟失。為了滿足時序要求，本設(shè)計中FPGA程序利用控制狀態(tài)機(jī)數(shù)量來產(chǎn)生讀寫時序，硬件設(shè)計中FPGA選用40 MHz基準(zhǔn)時鐘，并將W5300使能信號CS直接接地，一直保持有效狀態(tài)，每寫一次就控制/WR信號保持4個周期低電平，即100 ns，該時間大于芯片W5300寫時序最低要求50 ns；讀信號控制要求低電平有效時間大于65 ns，狀態(tài)機(jī)控制程序和寫信號一樣。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)圖Fig.5 Sending data

圖6 讀取數(shù)據(jù)Fig.6 Reading data

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文上位機(jī)使用UDP調(diào)試助手軟件，實(shí)現(xiàn)對FPGA控制的W5300以太網(wǎng)接口通信測試。該軟件采用VB編程，能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)傳輸動態(tài)，易于可視化界面操作。如圖5、6所示，測試軟件設(shè)置W5300（發(fā)送端）的 IP 地址為：192.168.0.2，PC 機(jī)（接收端）的IP地址為192.168.0.3，連接網(wǎng)絡(luò)成功之后，就可以點(diǎn)擊“發(fā)送數(shù)據(jù)”或“讀取數(shù)據(jù)”發(fā)送命令給W5300，并通過W5300外置網(wǎng)絡(luò)LED指示燈亮滅情況判斷以太網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)傳輸情況，進(jìn)而實(shí)時觀察上位機(jī)與FPGA通信動態(tài)。

上位機(jī)UDP調(diào)試助手通過W5300以太網(wǎng)接口向FPGA下發(fā)“發(fā)送數(shù)據(jù)”命令，并設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)和延時時間，將6個字節(jié)的固定數(shù)“FF”下發(fā)給FPGA，如圖5所示；上位機(jī)發(fā)送“讀取數(shù)據(jù)”命令時，F(xiàn)PGA首先判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為固定數(shù)“FF”，若接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)為固定數(shù)“FF”，則通過程序設(shè)置W5300，循環(huán)將32個字節(jié)的遞增數(shù)通過W5300接口上傳給上位機(jī)，如圖6所示。上位機(jī)軟件查看數(shù)據(jù)，導(dǎo)出FPGA通過W5300接口上傳的數(shù)據(jù)如圖7所示，分析數(shù)據(jù)，結(jié)果是循環(huán)的32個字節(jié)遞增數(shù)，與FPGA程序設(shè)置的上傳數(shù)據(jù)一致。通過UDP調(diào)試助手對本文設(shè)計的基于FPGA控制的W5300以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該接口能夠可靠的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FPGA之間的通信。

圖7 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)圖Fig.7 PC receives data diagram

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于FPGA控制的W5300以太網(wǎng)接口設(shè)計方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其通信的可靠性和準(zhǔn)確性。該接口結(jié)合了FGPA邏輯資源豐富，易于調(diào)用IP核，控制靈活的優(yōu)點(diǎn)和W5300內(nèi)部集成高速以太網(wǎng)控制器、TCP/IP協(xié)議棧等特性，通過簡單的配置和外部線路連接實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸功能，這種方法較于以太網(wǎng)通信傳統(tǒng)解決方案開發(fā)周期更短，難度更小，集成度更高，運(yùn)行更穩(wěn)定，該接口可以應(yīng)用到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、檢測等領(lǐng)域，具有很高的實(shí)用性。

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