基于FPGA的TCP／IP通信協(xié)議與Matlab通信系統(tǒng)的研究

　　(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform. Studio)中，處理器功能單元，系統(tǒng)外圍總線結(jié)構(gòu)，終端外設(shè)以及相應(yīng)的地址映射和默認(rèn)的驅(qū)動等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系統(tǒng)的基本構(gòu)建中其主要設(shè)置如下：使用Single Processor System系統(tǒng)，Local Memory為16k，系統(tǒng)時鐘頻率為62．5MHz，定時器和以太網(wǎng)中斷必須連接到處理器的中斷控制器上，另外，本設(shè)計還用到的GIOP、 Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等，其間用到的IP驅(qū)動，都是用xilinx提供IP的自帶默認(rèn)的相應(yīng)驅(qū)動。

　　(2)最后XPS自動生成微處理器硬件規(guī)范MHS(Microprocessor Hardware SpecificaTIon)和描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關(guān)的文件。這些文件都可以手動進(jìn)行修改，從而是使整個系統(tǒng)更加的優(yōu)化。

　　(3)生成的系統(tǒng)最后生成bit文件，把其文件下載到目標(biāo)板子上。

　　2．2 Simulink接收模塊的搭建

　　Simulink中TCP／IP中的接收模塊，其終端的地址，端口的設(shè)置要與FPGA上的以太網(wǎng)的IP地址、端口的設(shè)置一致，這就為 TCP／IP接收模塊指定了要通信的地址即完成了接收模塊TCP／IP的相關(guān)配置，也就完成了FPGA與Matlab中以太網(wǎng)通信的接收模塊的搭建，在 Simulink中，具體的模塊設(shè)計如圖3所示。

　　通信數(shù)據(jù)通過此模塊可以較直觀地用圖形動態(tài)顯示。

　　3 系統(tǒng)的軟件平臺及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)

　　3．1 軟件內(nèi)核和協(xié)議

　　本設(shè)計主要選擇了Xilinx公司的精簡嵌入式操作系統(tǒng)Xilkemel，它是Xilinx提供的用于EDK系統(tǒng)的小型、模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，它支持Microblaze核，與EDK形成的硬件系統(tǒng)無縫連接，具有可定制、CPU資源占用較小、運行速度快等特點，是MicroBlaze嵌入式軟核的理想操作系統(tǒng)，其整體的開發(fā)流程如圖4所示。

　　網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議我們采用TCP／IP協(xié)議，該通訊協(xié)議采用四層(應(yīng)用層、傳輸層、互連網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層)層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求，系統(tǒng)分為兩部分實現(xiàn)：

　　第一部分為物理層和MAC層，本設(shè)計中用LAN83C185來實現(xiàn)物理層，MAC層由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核，并作為整個MicroBlaze系統(tǒng)硬件的一部分在FPGA內(nèi)實現(xiàn)。

　　第二部分是運輸層和網(wǎng)際層，主要由軟件代碼實現(xiàn)。TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信軟件允許用戶遠(yuǎn)程注冊到另一個系統(tǒng)中，并從一個系統(tǒng)復(fù)制文件到另一個系統(tǒng)，雖然Xilkernel本身不帶有文件處理系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議棧，但它與Xilinx公司的LwIP庫具有良好的接口，加上系統(tǒng)支持庫 LibXilMFS可形成一個比較完整的嵌入式系統(tǒng)，其特點是內(nèi)核配置功能都已集成到EDK工具中，使用簡單、方便，內(nèi)核啟動靜態(tài)創(chuàng)建線程，而動態(tài)分配內(nèi)存，可加載或卸載不同功能模塊來實現(xiàn)內(nèi)核的高擴(kuò)展性。

　　本設(shè)計主要采用LwIP3．OOb(Light weight Internet Protocol stack)協(xié)議模塊套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP／IP協(xié)議棧中，LwI-P3．00b提供二種API模式：Socket模式和RWA模式，由于 Socket模式開發(fā)難度不大，只要啟動Xemacif input thread線程，從中斷響應(yīng)的過程中接收數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考慮我們決定上層協(xié)議部分協(xié)議模塊采用Socket模式，因此需在MSS文件里對LwIP進(jìn)行例化(包括相應(yīng)的 LwIP參數(shù)設(shè)置)從而減少存儲器利用量和代碼編寫。

　　3．2 網(wǎng)絡(luò)通信程序的實現(xiàn)與設(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)通信程序主要完成從超極終端發(fā)送數(shù)據(jù)，傳到Simulink中的ICP／IP接收模塊。下面是主要的網(wǎng)絡(luò)通信程序：

　　Server_thread()函數(shù)是Xilkernel的第一個線程，初始化LwIP協(xié)議棧。

　　ServerAppThread()函數(shù)可完成MAC、IP、掩碼以及網(wǎng)關(guān)的配置，并完成Socket應(yīng)用。