當(dāng)前，SoC向著面積更小、速度更高的方向發(fā)展，百兆網(wǎng)通信已不能滿(mǎn)足人們的生產(chǎn)和工作需要，用千兆網(wǎng)通信成為工作中迫切的要求。用FPGA實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信，有二種模式可以選擇：其一，編寫(xiě)一個(gè)IP軟核；其二，用FPGA內(nèi)嵌的MAC內(nèi)核。方法一的靈活性大，但要實(shí)現(xiàn)并不容易，因此，賽靈公司將其歸為收費(fèi)IP；方法二中，MAC的三態(tài)可配置特性為實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)通信提供了可能。本設(shè)計(jì)就是基于此內(nèi)嵌的Ethernet MAC模塊，在Vx-Works操作系統(tǒng)下成功實(shí)現(xiàn)了千兆網(wǎng)的通信。

　　1 Virtex4 FX系列FPGA中內(nèi)嵌的千兆通信硬核架構(gòu)

　　Virtex4 FX系列FPGA中內(nèi)嵌了多個(gè)用于千兆通信的硬核。以XC4VFX20為例，如圖1所示，它通過(guò)一個(gè)主機(jī)接口連接了2個(gè)EMAC核。2個(gè)EMAC可以一起使用，也可以只使用其中的一個(gè)。

　　Virtex4中嵌入的Ethernet MAC硬核主要特點(diǎn)：

　　◆支持半雙工和(或)全雙工操作；

　　◆設(shè)計(jì)符合IEEE 802.3-2002標(biāo)準(zhǔn)；

　　◆支持3種操作模式：1 Gb／s、100 Mb／s、10 Mb／s；

　　◆支持MII、GMII、RGMII、SGMII通信方式；

　　◆為不限長(zhǎng)度的VLAN幀和JUMBO幀提供技術(shù)支持；

　　◆提供了可選的網(wǎng)絡(luò)管理特性，包括基于每個(gè)分組的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)矢量和流程控制。

　　通過(guò)一個(gè)與處理器無(wú)關(guān)的接口，可以對(duì)TEMAC核進(jìn)行配置和監(jiān)控，其為用戶(hù)選擇適合其應(yīng)用的理想處理器提供了附加的靈活性。

　　在1 Gb模式下，TEMAC支持千兆位級(jí)媒體獨(dú)立接口(GMII)和降低千兆位級(jí)媒體獨(dú)立接口(RGMII)。GMII是一個(gè)運(yùn)行頻率為125 MHz的字節(jié)寬并行SDR接口，而RGMII是一個(gè)運(yùn)行頻率為25 MHz的半位元組并行DDR接口，可以提供的總帶寬為1 Gb／s。而且，在100 Mb／s和10 Mb／s模式下，TEMAC均支持MII接口。MII接口是4位寬，在100 Mb／s模式下其工作頻率為25 MHz。在10 Mb／s模式下，MII接口的工作頻率為2.5 MHz。

　　由于Virtex4中嵌入了Ethernet MAC硬核，同時(shí)，F(xiàn)X系列還嵌入了PowerPC，這樣，就可以用PowerPC控制Ethernet MAC實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信。

　　2 VxWorks下BSP的移植

　　VxWorks 操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。它采用微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，具有支持多種處理器、豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、良好的兼容性和裁剪性等特點(diǎn)，同時(shí)具有程序動(dòng)態(tài)鏈接和下載的功能。自從20世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)，以其不斷推出的升級(jí)版本、高性能內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地，尤其以成功應(yīng)用于火星探測(cè)車(chē)和愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈等高科技產(chǎn)品而聞名。VxWorks的板級(jí)支持包BSP (Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開(kāi)發(fā)包，主要功能是屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。具體功能包括：

　　◆單板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個(gè)軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；

　　◆為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；

　　◆定制操作系統(tǒng)的功能，為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境；

　　◆初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行做準(zhǔn)備。

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，BSP的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)非常復(fù)雜而繁瑣的工作，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上減輕開(kāi)發(fā)者的工作負(fù)擔(dān)。EDK中的 BSP生成器(BSPgen)可以根據(jù)不同的微處理器、外設(shè)和RTOS組合自動(dòng)產(chǎn)生用戶(hù)可裁剪的BSP。它包含了系統(tǒng)所必需的支持軟件，包括Boot代碼、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驅(qū)動(dòng)打包到BSP的子目錄下，并且把Xilinx器件驅(qū)動(dòng)與VxWorks及其 Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫集成，充分縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　但是，BSPgen生成的BSP只是一個(gè)固定的BSP模板，并不能正確地反映RAM／ROM的存儲(chǔ)器映射，不支持用戶(hù)通過(guò)BSPgen流程自定義的核／驅(qū)動(dòng)等。因此還需要對(duì)BSPgen產(chǎn)生的BSP進(jìn)行修改。

　　對(duì)BSP開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，借助EDK的BSPgen，還必須要做以下幾項(xiàng)工作：

　　①修改config.h和Makefile中的RAM、ROM地址及串口速率；

　?、谛薷膕ysSerial.c，對(duì)串口進(jìn)行正確的設(shè)置；

　?、墼黾硬荒芘cVxWorks無(wú)縫集成的器件的驅(qū)動(dòng)文件，關(guān)鍵性中斷、GPIO接口等；

　?、芘渲胹ysNet.c中的以太網(wǎng)參數(shù)，設(shè)置MAC地址；

　?、莞鶕?jù)EDK中的配置，禁止或使能Cache；

　?、扌薷膕ysL ib.c，以顯示正確的信息；

　?、咴O(shè)置主機(jī)IP地址。

　　經(jīng)過(guò)以上修改之后，將新的BSP放在Tornado的安裝目錄Tornado_root＼target＼config下。根據(jù)這個(gè)BSP，在Tornado集成環(huán)境下生成一個(gè)新的VxWorks工程，然后就可以進(jìn)行一般的嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了。

　　EDK中RAM和ROM的地址映射如表1所列。

　　若為表1所列的工程，則在config.h和Makfile文件中要進(jìn)行如下修改：

　　sysNet.c中通過(guò)以下語(yǔ)句定義了網(wǎng)絡(luò)的MAC地址，必須根據(jù)真實(shí)的MAC地址進(jìn)行修改，如本文的MAC地址：00：0A：35：01：88：25

　　sysSerial.c對(duì)串口進(jìn)行初始化，因?yàn)橐_地指定串口ID，sysLib.c中可以顯示VxWorks鏡像的信息，因此也要進(jìn)行相應(yīng)的修改，如將

　　通過(guò)對(duì)EDK下牛成的BSP的修改，并在Tornado集成環(huán)境下生成正確的VxWorks鏡像后，可以將其下載到FPGA中。觀察串口的輸出是否正確，可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試工作，以確定BSP的移植是正確的。

　　3 UDP服務(wù)器／客戶(hù)端程序

　　對(duì)VxWorks BSP進(jìn)行正確的配置和修改后，在useAppInit.c中書(shū)寫(xiě)自己的UDP服務(wù)器端程序。本設(shè)計(jì)用基于socket的UDP通信。

　　網(wǎng)絡(luò)通信一般可通過(guò)socket實(shí)現(xiàn)。socket編程均采用客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器模式，VxWorks提供了標(biāo)準(zhǔn)的BSDsocket調(diào)用，支持UDP協(xié)議。UDP協(xié)議即數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它允許創(chuàng)建和維護(hù)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，使其彼此可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信過(guò)程如圖2所示。

　　服務(wù)器首先調(diào)用socket()建立一個(gè)套接字socket，然后調(diào)用bind()將套接字與一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)地址(IP地址和端口號(hào))捆綁在一起，以保證客戶(hù)端正確識(shí)別。接著服務(wù)器再調(diào)用listen()使套接字處于被動(dòng)的準(zhǔn)備接收狀態(tài)，同時(shí)規(guī)定它的請(qǐng)求隊(duì)列長(zhǎng)度，隨后調(diào)用accept()來(lái)接收客戶(hù)連接。服務(wù)器進(jìn)程隨即進(jìn)入阻塞狀態(tài)?？蛻?hù)與服務(wù)器的關(guān)系是不對(duì)稱(chēng)的。服務(wù)器先啟動(dòng)。然后在某時(shí)刻客戶(hù)主動(dòng)發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器被動(dòng)應(yīng)答。

　　客戶(hù)端程序首先調(diào)用socket()，這個(gè)函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接口，并為每個(gè)套接口返回一個(gè)ID號(hào)。然后初始化一個(gè)套接口結(jié)構(gòu)體，為其賦上該 ID號(hào)以及服務(wù)端的IP地址和端口號(hào)，并將其作為函數(shù)connect()的參數(shù)．調(diào)用connect()函數(shù)主動(dòng)去連接服務(wù)端。

　　當(dāng)服務(wù)端與客戶(hù)端建立連接之后，就可以發(fā)送(write)和接收(read)數(shù)據(jù)。部分代碼如下：

　　客戶(hù)端應(yīng)用程序在Windows下用VC實(shí)現(xiàn)，代碼略。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　結(jié)合工程實(shí)際開(kāi)發(fā)的順序，分2步對(duì)VxWorks下千兆網(wǎng)通信進(jìn)行測(cè)試：

　　第1步，在usrAppInit.c中打印hello the world，若出現(xiàn)圖3所示窗口，則證明VxWorks內(nèi)核已正確加載，以及BSP移植的正確性。程序跑到用戶(hù)編寫(xiě)的usrAppInit.c。

　　第2步，對(duì)編寫(xiě)的UDP服務(wù)器／客戶(hù)端進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所列。

　　5 結(jié) 論

　　由于FPGA中嵌入了PowerPC處理器及用于千兆網(wǎng)通信的Ethernet MAC，這樣，為利用FPGA實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信奠定了基礎(chǔ)。本文在VxWorks操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了UDP的千兆網(wǎng)通信，實(shí)測(cè)速度達(dá)到294.68 Mb/s，吞吐量達(dá)到近30％。