在FPGA中实现嵌入式TCP/IP通信协议栈

引言
    随着电子信息技术的发展，网络化日益普遍，以太网被广泛应用到各个领域，只要在设备上增加一个网络接口并实现TCP/IP协议，就可以方便地接入到现有的 网络中，完成远程数据传输的相关功能。因此，嵌入式网络技术一直是关注的焦点，目前已经广泛应用于通信、工业控制、消费电子等各个领域。近年来，随着可编 程逻辑器件的飞速发展，人们开始考虑将整个嵌入式系统集成到单片FPGA中实现，其中也包括了以太网的嵌入式片上系统。本文从实际应用出发，以 Xilinx FPGA的软核CPU MicroBlaze IPCore搭建的片上系统（SystemonChip），构建了嵌入式网络硬件开发平台，实现了TCP/IP通信协议栈 LwIP（Lightweight Internet Protocol）在实时操作系统Xilkernel上的移植。详细介绍了其软硬件的系统组成和原理，阐述了FPGA的片上系统配置，及其驱动层和协议栈 层软件的结构，并给出部分关键源码。
1 系统硬件平台设计
    Xilinx为嵌入式网络通信解决方案提供了广泛的组件和资源。Xilinx嵌入式解决方案的一个主要优点是其处理器、IP内核以及软件组件的灵活性和可 扩展能力，其强大的灵活性允许用户根据需要开启或禁止处理器、IP内核以及软件平台的选项和高级功能，并且可以对许多独立参数进行精细调整，直到在软件级 满足应用要求。
    系统采用Xilinx公司的FPGA芯片XC5VFX70T为硬件设计平台，以MicroBlaze软核作为中央处理器，以VHDL硬件描述语言实现协处理功能模块，以片上总线连接MicroBlaze处理器和外围设备（IP）来搭建嵌入式片上系统。
    Xilinx以IBM CoreConnect总线通信链作为嵌入式处理器的片上总线，提供了丰富的接口资源，主要有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，快速单连接）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核连接到MicroBlaze系统中，常用在速度要求不高的场合；LMB专门用于实现对片 上块RAM的高速访问；XCL则用于实现对片外存储器的高速访问。FSL是MicroBlaze处理器特有的一个基于FIFO的单向链路，可实现用户自定 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。
    已实现的系统由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，以及基于PLB总线技术的DDC（数字下变频）自定义IPCore和基于FSL总线技术的FFT（快速傅里叶变换）自定义IPCore 组成。设计的系统架构如图1所示，整个系统在Xilinx的EDK开发工具中构建，具有完全的可编程特性，可根据不同任务需求来更改相关的配置参数。

图1 系统架构图
2 系统软件平台设计
2.1 LwIP协议栈
    LwIP是一个开源TCP/IP协议栈，在实现TCP/IP协议栈主要功能的基础上减少了对RAM的占用，一般只需要几十KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以运行，因此非常适合在硬件配置较低的嵌入式系统中使用。EDK为LwIP库提供了良好的接口，并为Xilinx公司TEMAC IP核提供了适配器，在EDK工程中方便地应用LwIP协议栈实现网络功能。LwIP具有如下特点：

    ① 支持多网络接口下的IP转发；

    ② 支持ICMP协议；

    ③ 包括实验性扩展的UDP（用户数据报协议）；

    ④ 包括阻塞控制、RTT估算以及快速恢复和转发的TCP（传输控制协议）；

    ⑤ 提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能；

    ⑥ 可选择的Berkeley接口API（多线程情况下）；

    ⑦ 在最新的版本中支持ppp；

    ⑧ 新版本中增加了的IP fragment的支持；

    ⑨ 支持DHCP协议，动态分配IP地址。
    在Xilinx的嵌入式开发工具EDK中，LwIP的版本为lwip130，即LwIP的v1.3.0版本。LwIP库提供了RAW模式和Socket模式两类API函数，前者面向高性能，后者面向通用性，提供一组标准的Socket API接口函数。
2.2 Xilkernel实时操作系统
    Xilkernel是Xilinx公司提供的用于EDK系统的小型、模块化的嵌入式实时操作系统，支持MicroBlaze、PowerPC405以及 PowerPC440处理器。Xilkernel是一种专用的嵌入式操作系统，内核完整，占用CPU资源较少，运行速度快，内核响应时间间隔最短可设置为 1 ms,且与EDK生成的硬件系统紧密结合，具有可定制的特点，支持可移植操作系统接口（POSIX），是中小型设计的理想操作系统。其内部结构如图2所 示。

图2 Xilkernel内部结构示意图
    Xilkernel本身不带有文件处理系统和TCP/IP协议栈，但与LwIP库具有良好的接口，且支持LibXil MFS文件系统库，因此，也可形成较为复杂的嵌入式系统。其具有如下特点：

    ① 内核配置功能都已集成到EDK工具中，使用简单、方便；

    ② 内核启动时,静态创建线程，而动态分配内存；

    ③ 可加载或卸载不同的功能模块来实现内核的扩展性；

    ④ 提供了一套符合POSIX的API用户程序接口函数；

    ⑤ 所有系统调用函数带有参数合法性检查保护，并返回符合POSIX的错误代码。
3 TCP/IP通信协议实现及测试
3.1 Socket应用程序开发
    LwIP Socket API是建立在Xilkernel操作系统多线程任务基础上的，与BSD标准的Socket API非常相似，具有开发难度较小、便于用户调用的特点，可满足一般网络应用的要求。使用LwIP的Socket模式，首先要在初始化线程中调用 lwip_init()函数对LwIP协议栈进行初始化，再使用sys_thread_new()函数来产生一个新的线程，即进入主线程。在主线程中首先 通过xemac_add()函数来添加网络接口，然后为xemacif_input_thread()函数单独开启一个线程，将从中断响应过程中接收到的 数据包移植到LwIP的xemacif_input_thread()函数运行的线程中，该线程在LwIP数据包到达时发出通知，并通过接收中断句柄将数 据存在缓冲中。以下为主线程中添加的网络接口程序代码：

    ……

    struct ip_addr ipaddr, netmask, gw;

    struct netif *netif;

    netif = &server_netif;

    /*初始化IP地址*/

    IP4_ADDR(&gw, 000,000,000,000); //设置网关

    IP4_ADDR(&ipaddr, 192,168,169,110);//设置IP

    IP4_ADDR(&netmask,255,255,255,000); //设置子网IP

    /*加入网络接口，并将其设为默认接口*/

    if(!xemac_add(netif,&ipaddr,&netmask,&gw,fullmac,XPAR_LLTEMAC_0_BASEADDR)){

    xil_printf("Error adding N/W interface\\n\\r");

    return;

    }

    netif_set_default(netif);

    /*启用网络接口*/

    netif_set_up(netif);

    /*启用数据包接收线程*/

    sys_thread_new("xemacif_input_thread",xemacif_input_thread,netif,THREAD_STACKSIZE,MY_THREAD_PRIO);

    /*建立Socket接口*/

    sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    addr.sin_family = AF_INET;

    addr.sin_port = htons(6000);

    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   
    bind(sock,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));

    listen(sock,15);

    while(1){
   
    s = accept(sock,(struct sockaddr*)&rem,&len);

    ……

    }
    通过上述步骤后，就可使用Socket编程建立网络服务器。
3.2 网络数据传输性能测试
    使用RJ45交叉以太网线将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，客户端经连接响应后，高速向服务器端连续发TCP包。服务端接收到数据后计算接收到的数据总量，不做 其他处理。使用iperf网络测试软件测试系统网络直接发送数据的性能。
    Socket模式下网络发送速率为27.2 Mb/s，其iperf服务器端显示结果如图3所示。

图3 LwIP协议栈发送数据速率测试结果
    为了检测本文开发的应用程序中数据发送的速率及其准确度，在计算机端使用LabView软件开发网络服务客户端接收本系统的数据，并将数据记录为DAT文 件，使用多特NetPerSec网络测试软件测试网络的当前速率和平均速率。在写数据速率为24.1 Mb/s时，NetPerSec显示网络接收平均速率为24.8 Mb/s；记录的DAT文件显示图形中无跳变点，数据无丢失，NetPerSec截图及DAT文件显示图形如图4所示。

图4 NetPerSec网络数据流量统计及线性数据正确性测试

    写数据速率为24.3 Mb/s时，NetPerSec显示网络接收平均速率为25.4 Mb/s；记录的DAT数据显示图形中间出现跳变点，说明有数据包丢失，NetPerSec截图及DAT数据显示图形如图5所示。

图5 NetPerSec网络数据流量统计及数据丢包测试
    测试结果表明，使用LwIP协议栈Socket模式进行网络数据传输，可实现网速为24.8 Mb/s、接收侦察信号带宽为750 kHz的稳定数据传输。
结语
    本文研究了TCP／IP通信协议在Xilinx公司FPGA上的实现，介绍了其软硬件的系统组成及原理。其功能可根据需要进行定制，不但引入了软核处理器 和嵌入式操作系统Xilkernel，而且应用了LwIP TCP/IP协议栈，同时使用了大量的IP核，系统构建非常灵活。其软硬件部分的设计采用分离的设计架构，使得整个系统修改和重构更加方便，真正实现了嵌 入式片上系统。