1 引言

 

      現在有很多以以太網為基礎的工業通信協議，并都有自己的優缺點，其中有些協議是開源的，這讓開發者可以設計出自己的協議。這也意味著這些開源的協議在工業上將更加受到歡迎，應用也更加廣泛。現在還沒有統一的協議，而且協議的發展影響著以太網標準的變化，這就要求能夠支持多種協議的設計方法。本文主要提出使用FPGA 來盡可能支持較多的工業以太網協議并能支持新協議的加入和系統改進。

2 基于FPGA 的工業以太網解決方案

 
　　支持多種協議的一般的方法可以通過針對每一種協議都設計一塊板卡，在需要時互相替換來實現。但隨著市場上標準的增加和發展，則需要設計出一種性價比高而且還能快速支持 新協議的解決方法。 隨著以太網的不斷變化，需要開發設計新的電路板，這就會使得成本加大，而且實現的慢。然而，通過使用帶有FPGA 的工業以太網接口就可以解決以上的問題，使用FPGA 最主要的好處在于它容易重新配置。
　　在任何時候只需要構造一個電路板和能支持任一種工業以太網協議的硬件程序。如果要使用不同的協議或是用戶改變執行命令，只需花費幾秒鐘根據具體 需要改寫FPGA 的配置文件。這種多協議方法大大降低了開發成本，減小編碼量[1]。
　　FPGA 與以太網收發器(通常為PHY)結合使用時，它可以完成所有以太網接口的功能。PHY 和電路板中的物理層接口，數據鏈路層(MAC)硬件功能可由FPGA 硬件配置程序來實現；再往上層(3 層以上)的功能是由運行在FPGA 邏輯電路配置的核心處理器上的軟件實現的。
　　FPGA 邏輯電路是可編程的，I/O 管腳支持多種協議，現有的IP 接口應用廣泛，所以在現有的應用處理器和FPGA 之間很容易實現通信信道。一般現有的處理器接口(如I2C,SPI,其他一些本地并行總線)或系統(PCI，PCI Express，CANopen 等)都可以與FPGA 通信。
　　由于FPGA 硬件是可編程的，如果想把應用程序封裝到FPGA 中，那么可以設計含有多個微處理器軟核。這樣做的好處在于它可以減少組件數量，降低成本和功率消耗。此外，完全基于IP 設計易于移植到新設備上，而且FPGA 的使用周期長，所以這種設計不會很快被淘汰。

　　對于工業以太網，設計FPGA 也可以有hub 或可以增強以太網通信的相似的硬件。FPGA 不僅可以實現處理器的復雜結構設計，而且可以實現靈活多變的接口設計，比如簡單的通信接口(如UARTS，并行I/O 等)，支持新的存儲器的復雜接口(如DRR2/3 等)。以及新的通信技術(如Bluetooth，Gigabit Ethernet，PCI Express 等)構造基于FPGA 的硬件設計。

 

 

3 構造基于FPGA 的硬件IP 設計　　設計處理器和以太網MAC硬件看起來很難，但實際上，SOPC Builder 提供了處理器和以太網MAC的IP核，這就變得簡單多了。Altera’s QuartusⅡ的開發環境包含SOPC Builder[2]，SOPC Builder 能快速并自動配置、集成和生成基于IP的系統。

 

 

      GUI 的截圖(圖2)中左邊列表顯示了可用的IP 核。若想在現使用的系統中加入IP 核，設計者只需雙擊所需的IP 模塊。選定IP 模塊后，會出現配置信息，可以選擇相應的選項(圖2 右邊)。完成這些后，配置好的IP 功能塊就會出現在當前系統設計中，如圖窗口的右邊。該部件的地址和中斷級別 可以改變，可通過GUI 修改系統內的互聯結構來改變IP 部件間的連接。處理器能夠快速設 計模塊和高度優化系統(如圖3)。

 

 

　　圖中窗口下面顯示設計的出錯信息，因而開發者可以很容易的查錯糾錯。系統設計好后，設計人員點擊“generate”后即生成所要求的系統。該系統生成后，可作為QuartusⅡ原理圖設計編輯器的一個功能模塊。 如果以后需要修改設計，設計人員只需打開SOPC Builder 使用GUI 來修改，再重新生成系統，然后用QuartusⅡ軟件重新組合，就生成了新的配置文件，這樣在很短的時間內生成了一個新的工業以太網協議的硬件設計。

4 網絡協議設計

 
　　硬件IP 通常封裝作為SOPC Builder的一個部件，它包含了MAC 和其它的所需的邏輯電路。對于軟件IP可在經銷商出購買，也可以自己通過移植LwIP 協議實現。LwIP 是Light-weight Internet Protocol 的縮寫，即輕量級網絡協議。LwIP 是瑞典計算機 科學院的Adam Dunkels 等開發的用于嵌入式系統的TCP/IP 協議棧[5]。
　　LwIP 實現的重點是在保持TCP/IP 協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用[3]，一般它只需要幾十KByte 的RAM 和40K 左右的ROM 就可以運行，在嵌入式系統中應用相當廣泛。在使用和移植的過程中可根據傳輸數據的不同要求進行刪減或增補。在設計LwIP 時，就要考慮到移植問題，把所有和硬件、編譯器相關的部分獨立出來[4]，放在/src/arch 下面。若要移植，只要修改這個目錄下的文件即可。
　　(1)與CPU或編譯器相關的include 文件。LwIP/src/arch/include/arch 目錄下，cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU 或編譯器相關的定義，如數據長度、字的高低位順序等。這應該與用戶的操作系統定義的參數一致。通常，C語言的結構體(struct)是4 字節對齊的，但是在處理 數據包的時候，LwIP 是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據的，所以，一定要在定義struct 的時候使用_packed 關鍵字，讓編譯器放棄struct 的字節對齊。
　　LwIP 也考慮到了這個問題，所以，在它的結構體定義中有幾個PACK_STRUCT_xxx 宏，在移植的時候添加編譯器所對應的_packed 關鍵字。
　　(2)sys_arch 操作系統相關部分。sys_arch.c 中的內容是與操作系統相關的一些結構和函 數，主要可以分為四個部分：

     ①sys_sem_t 信號量。LwIP 中需要使用信號量進行通信，所以在sys_arch 中應實現信號 量結構體和處理函數： struct sys_sem_t
　　sys_sem_new() //創建一個信號量結構
　　sys_sem_free() //釋放一個信號量結構
　　sys_sem_signal() //發送信號量
　　sys_arch_sem_wait() //請求信號量
　　② sys_mbox_t 消息。LwIP 使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch 中實現消息隊列結構。
　　sys_mbox_t 以及相應的操作函數：
　　sys_mbox_new() //創建一個消息隊列
　　sys_mbox_free() //釋放一個消息隊列
　　sys_mbox_post() //向消息隊列發送消息
　　sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊列中獲取消息
　　③ sys_arch_timeout 函數。LwIP 中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout 屬性， 即等待超時時間。這個屬性表現為每個線程都對應一個sys_timeout 結構體隊列，它包括這 個線程的timeout 時間長度，以及超時后應調用的timeout 函數，該函數會做一些釋放連接、 回收資源的工作。Timeout 結構體已經在sys.h 中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作 也由LwIP 負責，我們所要實現的是如下函數：

  　struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
　　這個函數的功能是返回目前正處于運行狀態的線程所對應的timeout 隊列指針。Timeout 隊列屬于線程的屬性，因此是與操作系統相關的函數。
　　④sys_thread_new 創建新線程函數。LwIP 可以是單線程運行，即只有一個tcpip 線程（tcpip_thread），負責處理所有的TCP 或UDP 連接，各種網絡程序都通過tcpip線程與網絡交互。它也可以多線程運行，以提高效率。
　　(3) lib_arch 中庫函數。LwIP用到8個外部函數，這些函數通常與用戶使用的系統或編譯器有關。
　　u16_t htons(u16_t n)；//16 位數據高低字節交換
　　u16_t ntons(u16_t n)；
　　u32_t htonl(u32_t n)；//32 位數據大小端對調
　　u32_t ntonl(u32_t n)；
　　int strlen(const char *str)；
　　int stmcmp(const char *str1,const char *str2,int len)；
　　void bcopy(const void *src,void *dest,int len)；
　　void bzero(void *data,int n)；

5 測試

　　將修改后的LwIP 進行測試，比如移植到μC/OS-II 中。先對LwIP 進行初始化，再創建TCP或UDP任務，然后就可以測試了，關鍵部分的代碼和說明如下：

　　main(){
　　OSInit();
　　OSTaskCreate(lwip_init_task,&task1_data,&lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1],0);
　　OSTaskCreate(user_task,&task2_data,&user_stk[TASK_STK_SIZE-1],1);
　　OSStart();
　　}
　　主程序中，創建了lwip_init_task初始化LwIP任務(優先級0)和user_task用戶任務(優先級1) 。lwip_init_task 任務中除了初始化之外， 還創建了tcpip_thread( 優先級3) 和tcpecho_thread(優先級4)，實際上tcpip_thread 才是LwIP 的主線程，tcpecho_thread 線程也要依靠tcpip_thread 線程來與外界通信。
　　編譯運行后，用telnet 命令可以看到回顯結果，說明正確運行，LwIP 移植是正確的。

6 結束語

 
　　成本低廉的FPGA 和微處理器軟核IP 使得工業以太網具有高性價比可編程解決方案成為可能。該方案只需用一個電路板就能實現傳送不同的工業以太網協議，并且具有開發成本低、使用周期長的特點。由于協議的發展，已經不同于以往的實現方法，而且有很多新的協議形成，能支持任何工業以太網協議的靈活可變的且具有成本效益的解決方案顯得越來越重要。對于工業設備制造商來說，用FPGA 實現工業以太網也是勢在必行。
　　本文作者的創新點：使用FPGA 實現在一個電路板上傳送不同的工業以太網協議的功能，并能支持加入新的協議，使用周期長，具有高性價比的優點，而且易開發。