导言
跟着电子信息技能的开展，网络化日益遍及，以太网被广泛运用到各个领域，只要在设备上增加一个网络接口并完结TCP/IP协议，就可以便利地接入到现有的网络中，完结长途数据传输的相关功用。因而，嵌入式网络技能一直是重视的焦点，现在现已广泛运用于通讯、工业操控、消费电子等各个领域。近年来，跟着可编程逻辑器件的飞速开展，人们开端考虑将整个嵌入式体系集成到单片FPGA中完结，其间也包含了以太网的嵌入式片上体系。
本文从实践运用动身，以Xilinx FPGA的软核CPUY MicroBlaze IPCore树立的片上体系(System—on—Chip)，构建了嵌入式网络硬件开发渠道，完结了TCP/IP通讯协议栈LwIP(Light-weight Internet Protocol)在实时操作体系Xilkernel上的移植。具体介绍了其软硬件的体系组成和原理，论述了FPGA的片上体系装备，及其驱动层和协议栈层软件的结构，并给出部分要害源码。
1 体系硬件渠道规划
Xilinx为嵌入式网络通讯解决方案供给了广泛的组件和资源。Xilinx嵌入式解决方案的一个首要长处是其处理器、IP内核以及软件组件的灵敏性和可扩展才能，其强壮的灵敏性答运用户根据需求敞开或制止处理器、IP内核以及软件渠道的选项和高档功用，并且可以对许多独立参数进行精密调整，直到在软件级满意运用要求。
体系选用Xilinx公司的FPGA芯片XC5VFX70T为硬件规划渠道，以MicroBlaze软核作为中央处理器，以VHDL硬件描绘言语完结协处理功用模块，以片上总线衔接MicroBlaze处理器和外围设备(IP)来树立嵌入式片上体系。
Xilinx以IBM CoreConnect总线通讯链作为嵌入式处理器的片上总线，供给了丰厚的接口资源，首要有PLB(Processor Local Bus，处理器本地总线)接口、高速的LMB(Local Memory Bus，本地存储器总线)接口、FSL(Fast Simplex Link，快速单衔接)主从设备接口、XCL(Xilinx Cache Link，Xilinx缓存链路)接口。PLB总线可将外设IP核衔接到Micro Blaze体系中，常用在速度要求不高的场合;LMB专门用于完结对片上块RAM的高速拜访;XCL则用于完结对片外存储器的高速拜访。FSL是MicroBlaze处理器特有的一个根据FIFO的单向链路，可完结用户自定义IP核与MicroBlaze内部通用寄存器的点对点直接相连，一般用在传输速度要求较高的场合。
已完结的体系由MicroBlaze处理器、ILMB总线、DLMB总线、Block RAM、DDR SDRAM、10/100/1000 Soft TEMAC、GPIO接口、UART16550串口、PLB TIMER定时器，以及根据PLB总线技能的DDC(数字下变频)自定义IPCore和根据FSL总线技能的FFT(快速傅里叶变换)自定义IPCore组成。规划的体系架构如图1所示，整个体系在Xilinx的EDK开发东西中构建，具有彻底的可编程特性，可根据不同使命需求来更改相关的装备参数。
2 体系软件渠道规划
2. 1 LwIP协议栈
LwIP是一个开源TCP/IP协议栈，在完结TCP/IP协议栈首要功用的基础上减少了对RAM的占用，一般只需求几十KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以运转，因而十分适合在硬件装备较低的嵌入式体系中运用。EDK为LwIP库供给了杰出的接口，并为Xilinx公司TEMAC IP核供给了适配器，在EDK工程中便利地运用LwIP协议栈完结网络功用。LwIP具有如下特色：
①支撑多网络接口下的IP转发;
②支撑%&&&&&%MP协议;
③包含实验性扩展的UDP(用户数据报协议);
④包含堵塞操控、RTT预算以及快速康复和转发的TCP(传输操控协议);
⑤供给专门的内部回调接口(Raw API)用于进步运用程序功用;
⑥可选择的Berkeley接口API(多线程情况下);
⑦在最新的版别中支撑PPP;
⑧新版别中增加了的IP fragment的支撑;
⑨支撑DHCP协议，动态分配IP地址。
在Xilinx的嵌入式开发东西EDK中，LwIP的版别为lwip130，即LwIP的v1.3.0版别。LwIP库供给了RAW形式和Socket形式两类API函数，前者面向高功用，后者面向通用性，供给一组规范的Socket API接口函数。
2.2 Xilkemel实时操作体系
Xilkernel是Xilinx公司供给的用于EDK体系的小型、模块化的嵌入式实时操作体系，支撑MicroBlaze、PowerPC405以及PowerPC440处理器。Xilkernel是一种专用的嵌入式操作体系，内核完好，占用CPU资源较少，运转速度快，内核呼应时刻距离最短可设置为1 ms，且与EDK生成的硬件体系紧密结合，具有可定制的特色，支撑可移植操作体系接口(PO SIX)，是中小型规划的抱负操作体系。其内部结构如图2所示。
Xilkernel自身不带有文件处理体系和TCP/IP协议栈，但与LwIP库具有杰出的接口，且支撑LibXil MFS文件体系库，因而，也可构成较为杂乱的嵌入式体系。其具有如下特色：
①内核装备功用都已集成到EDK东西中，运用简略、便利;
②内核启动时，静态创立线程，而动态分配内存;
③可加载或卸载不同的功用模块来完结内核的扩展性;
④供给了一套契合POSIX的API用户程序接口函数;
⑤一切体系调用函数带有参数合法性查看维护，并回来契合POSIX的错误代码。
3 TCP/IP通讯协议完结及测验
3.1 Socket运用程序开发
LwIP Socket API是树立在XilKernel操作体系多线程使命基础上的，与BSD规范的Socket API十分类似，具有开发难度较小、便于用户调用的特色，可满意一般网络运用的要求。运用LwIP的Soeket形式，首要要在初始化线程中调用lwip_init()函数对LwIP协议栈进行初始化，再运用sys_thread_new()函数来发生一个新的线程，即进入主线程。在主线程中首要经过xemac_add()函数来增加网络接口，然后为xemacif_input_thread()函数独自敞开一个线程，将从中止呼应过程中接纳到的数据包移植到LwIP的xemacif_input_thre ad()函数运转的线程中，该线程在LwIP数据包抵达时发出通知，并经过接纳中止句柄将数据存在缓冲中。以下为主线程中增加的网络接口程序代码：
经过上述过程后，就可运用Socket编程树立网络服务器。
3. 2 网络数据传输功用测验
运用RJ45穿插以太网线将Xilinx XC5VFX70T开发板和PC机直连。PC机作为TCP/IP的客户端，Xilinx XC5VFX70T开发板作为TCP/IP的服务端，客户端经衔接呼应后，高速向服务器端接连发TCP包。服务端接纳到数据后核算接纳到的数据总量，不做其他处理。运用iperf网络测验软件测验体系网络直接发送数据的功用。
Socket形式下网络发送速率为27.2 Mb/s，其iperf服务器端显现成果如图3所示。
为了检测本文开发的运用程序中数据发送的速率及其准确度，在核算机端运用LabView软件开发网络服务客户端接纳本体系的数据，并将数据记载为DAT文件，运用多特Net PerSec网络测验软件测验网络的当时速率和均匀速率。在写数据速率为24.1 Mb/s时，NetPerSec显现网络接纳均匀速率为24.8 Mb/s;记载的DAT文件显现图形中无跳变点，数据无丢掉，NetPerSec截图及DAT文件显现图形如图4所示。
写数据速率为24.3 Mb/s时，NetPersec显现网络接纳均匀速率为25.4 Mb/s;记载的DAT数据显现图形中心呈现跳变点，阐明有数据包丢掉，NetPersec截图及DAT数据显现图形如图5所示。
测验成果表明，运用LwIP协议栈Socket形式进行网络数据传输，可完结网速为24.8 Mb/s、接纳侦查信号带宽为750 kHz的安稳数据传输。
结语
本文研讨了TCP/IP通讯协议在Xilinx公司FPGA上的完结，介绍了其软硬件的体系组成及原理。其功用可根据需求进行定制，不光引入了软核处理器和嵌入式操作体系ilker nel，并且运用了LwIP TCP/IP协议栈，一起运用了很多的IP核，体系构建十分灵敏。其软硬件部分的规划选用别离的规划架构，使得整个体系修正和重构愈加便利，真实完结了嵌入式片上体系。
