基于FPGA片上PowerPC和VxWorks的TCP/IP通信

引言

　　随着应用的不断普及和深入，在设计嵌入式系统时，往往需要同时优化众多因素，如成本、功率、尺寸、性能、灵活性、产品上市时间、设计开发周期，以及可靠性等。Xilinx 公司推出的嵌入式处理器设计平台Virtex-II Pro和Virtex-4系列器件可以满足上述要求，其高性能的设计工具为设计者提供了完善的软硬件协同设计能力。本文以Virtex-II Pro P20 芯片内嵌PowerPC405硬核为处理器，选用目前广泛使用的VxWorks操作系统，阐述了内嵌PowerPC嵌入式设计的过程和要点，详细介绍了TCP/IP实时传输的整个设计过程，实验结果表明这种构架模式具有很好的应用前景。

基于FPGA片上PowerPC的嵌入式系统开发

　　随着嵌入式技术的发展，针对当前嵌入式处理器的应用，Xilinx公司推出了两款基于FPGA的32位嵌入式处理器内核。一种是采用先进IP植入技术实现的嵌入在Virtex-II Pro和Virtex-4器件中的PowerPC405处理器内核(这是业界目前唯一的嵌入式硬核)，另一种是MicroBlaze 32位嵌入式处理器软核。硬核的好处是能够提供更快的数据处理能力，而软核则具有更好的灵活性，在目标器件中可以进行任意配置。由于硬核在速度和资源上具有优势，因此本文采用了PowerPC405处理器，它支持复杂嵌入式的应用模式。由于同时需要嵌入式RTOS VxWorks，而FPGA内部的BlockRAM往往不能满足提供较大存储空间的要求，因而一般要由外部的存储器阵列实现。

图1   PowerPC405复杂嵌入式应用模式

　　如图1所示，该体系结构主要应用于需要RTOS支持的数据处理、软件、控制等实时系统以及以FPGA为核心的复杂应用中。Virtex-II Pro系列器件采用IBM CoreConnect总线技术，该总线包括：处理器局部总线(PLB)、片上外设总线(OPB)和设备控制寄存器总线(DCR)。PLB总线为片内的高速数据通道，通常连接高速外设、DMA存储控制器等，OPB总线则通常用于连接速率较低的片上外设，二者通过总线桥接器与处理器总线连接，从而保证PLB 总线的高速特性。DCR总线用于实现PowerPC405的通用寄存器与逻辑设备控制寄存器的数据通信。

　　针对基于PowerPC405的平台FPGA设计，Xilinx公司推出了完整的软硬件协同设计工具EDK (Embedded Development Kit)，它是一个专用于FPGA内部32位嵌入式处理器的集成化开发工具包，并提供硬件和软件协同设计的能力，从而极大地缩短了设计周期。在软硬件协同设计开发平台上，嵌入式软件工程师仍然可以独立地进行软件设计，硬件逻辑工程师也就可以继续采用过去的设计方法，如图2所示。

图2 嵌入PowerPC405的平台FPGA软硬件协同设计

　　在实际的软硬件协同开发时，如果不使用嵌入式RTOS，PowerPC405可以起到类似单片机的作用，软件开发就变得相对简单。而在一些大型项目的开发过程中，嵌入式RTOS往往是必需的，因此，研究嵌入式RTOS应用开发及其BSP的移植具有关键意义。

基于PowerPC405的VxWorks下的TCP/IP通信整体系统设计

　　VxWorks提供了丰富而标准的socket编程接口，可以方便地实现TCP/IP通信，同时，其多任务机制可以高效地完成实时任务的产生、调度、资源分配机制。本文在Virtex-II Pro开发平台上利用PowerPC405内嵌处理器和PC机进行TCP/IP通信，在底层使用100Mbps以太网作为传输媒介，实现了Vxworks嵌入式系统控制的文件实时传输。

　　可以利用EDK中的BaseSystem BuilderWizard来快速构建基于PowerPC405的系统。首先设定参考时钟频率、处理器时钟、总线时钟，如果在设计中包含有100M网口，那么总线时钟必须选择100M以上的频率。然后选取相应的外设， RS232串口、100M以太网口、SDRAM等，其中plb_bram_if_cntrl外设是必选的，该控制器完成对BlockRAM的控制，保持CPU处于一个确定的状态。系统设计架构如图3所示，这里用到了EDK内带的Ethernet MAC LogiCore(图中的EMAC)。

图3　基于PowerPC405的TCP/IP通信整体设计框图

BSP开发和移植

　　嵌入式操作系统开发中一项非常重要的任务，就是BSP (板级支持包)的开发。这是一项非常复杂而繁琐的工作，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上减轻开发者的工作。EDK中的BSP生成器 (BSPgen)可以根据不同的微处理器、外设和RTOS组合自动产生用户可裁剪的BSP。它包含了系统所必需的支持软件，包括Boot代码、设备驱动和 RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驱动打包到BSP的子目录下，并且把Xilinx器件驱动与VxWorks及其Tornado 集成开发环境无缝集成，充分减少开发周期。

　　但是，BSPgen生成的BSP只是一个固定的BSP模板文件，不能自动设置RAM/ROM的存储器映射，不支持用户通过BSPgen流程自定义的核/驱动，不能自动集成总线错误检测，而且，Caches在缺省情况下被禁止的。

　　对于BSP开发人员来讲，借助EDK的BSPgen，还必须要做以下几项工作：

　　1) 准确定义RAM/ROM边界地址，修改configure.h和makefile文件(两者的地址定义必须相匹配)；

　　2) 增加不能与VxWorks无缝集成的其他器件的驱动文件，如总线错误检测及报告、关键性中断、GPIO接口、I2C接口、SPI接口等；

　　3) 配置以太网参数，设置缺省的IP地址、MAC地址(sysNet.c文件中)；

　　4) 配置内核服务选项，禁止/使能Cache和RAM，设置TCP/UDP/IP参数等；

　　5) 增加总线错误检测报告和关键中断支持文件。

　　经过以上修改之后，将BSPgen产生的BSP放在Tornado的安装目录…\target\config下，在Tornado集成环境下生成 Bootloader，然后就可以进行一般的嵌入式操作系统开发过程了。在这里，对BSP的修改只有config.h和makefile文件的 RAM/ROM地址定义，修改如下：
  #define ROM_BASE_ADRS   0xff800000         
   #define ROM_TEXT_ADRS   (ROM_BASE_ADRS)    
   #define ROM_WARM_ADRS   (ROM_TEXT_ADRS+8)  
   #define ROM_SIZE        0x00400000         
   #define RAM_HIGH_ADRS   0x00200000         
   #define RAM_LOW_ADRS    0x00100000       
 

TCP/IP通信实验

        本文建立的实验环境包括：一块Virtex-II Pro开发板DS-BD-2VP20-FF1152(客户端)，一台Pentium4计算机主机(服务器端)，一根RS232串口线、网线，parallel IV下载线。基于TCP/IP的Socket应用框架原理如图4所示，经过实际测试得知，网络吞吐效率可超过30%。     

图4  面向连接的Socket应用

客户端程序：
sFd=socket (AF_INET, SOCK_STREAM,0);
optval = 60000;
setsockopt (sFd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char *)&optval, sizeof (optval));
sockAddrSize=sizeof (struct sockaddr_in);
bzero((char *)&serverAddr , sockAddrSize);
serverAddr.sin_family=AF_INET;　　serverAddr.sin_len=(u_char) sockAddrSize;
serverAddr.sin_port=htons (SERVER_PORT_NUM);
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr ("128.0.43.102");
connect(sFd, (struct sockaddr *)&serverAddr,sockAddrSize)；
send (sFd ,(char *)&myrequest. message, REQUEST_MSG_SIZE,0)；
服务器端的程序可以由VC类库来实现，这里就不再给出。

结语

        开发基于FPGA的嵌入式系统是迈向最终SoC的必由之路，传统的FPGA厂商纷纷涉足嵌入式领域，FPGA所具有的低成本、低功耗、小尺寸、高性能、开发周期短等优势，必将使其在当今嵌入式开发的热潮中具有广阔的应用前景。

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