1、诚信声明（三号宋体加黑）本人声明：我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 年 月 日北京化工大学毕业设计（论文）II毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于 Xilinx 公司的 SOPC 的以太网设计 学院： 信息学院 专业： 通信工程 班级： 通信 06
2、03 学生： 高明 指导教师： 何宾 专业负责人： 王学伟 1设计（论文）的主要任务及目标(1) 研究 SOPC 理论如何应用于以太网终端设计；(2) 研究如何使用 EDK 软件和 IP 核搭建整个设计硬件结构；(3) 在开发板上实现以太网终端设计，验证整个结论。2设计（论文）的基本要求和内容(1) 符合以太网设计的基本概念和原理；(2) 能准确运用 EDK 软件在嵌入式系统设计中的优势；(3) 选取合适的对象，并构造合理的以太网模型。3主要参考文献1 杨翰成，王芳，张佳洁，杨光辉基于 FPGA 的嵌入式三态以太网设计J计算机工程，2007，33（15）：139-1412 何宾片上可编程系统原
3、理及应用M北京：清华大学出版社，20103 DAVID SHELDON，FRANK VAHID，STEFANO LONARDISoft-Core Processor Customization using the Design of Experiments J4进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 阅读文献，撰写相关报告 2 月 16 日3 月 6 日2 完成文献综述，并做初步学习研究 3 月 7 日3 月 31 日3 根据课题，构造合适的模块结构 4 月 1 日4 月 20 日4 在开发板上进行实物搭建 4 月 20 日5 月 20 日5 完成毕业论文 5 月 20 日6 月初北
4、京化工大学毕业设计（论文）III摘 要近年来，随着片上可编程系统（System On Programmable Chip，SOPC ）技术的产生和发展，使设计人员突破了源于芯片内部系统、结构及存储器带宽等方面的吞吐量和性能的瓶颈，从而满足了程序对嵌入式系统更多的功能、更好的性能和更强的灵活性的要求。这从一个侧面促进完成了嵌入式系统越来越向小型化、高集成度、高可靠性和高适应性的方向发展的重要趋势。而在此发展趋势之下，研究具有网络传输功能的各种嵌入式系统越来越显得具有极大的实际意义，尤其是在以太网的搭建上。以太网技术近年来发展迅猛，这种迅猛的发展，早已不再局限在商业以太网范畴，而是已延伸到工业以太
5、网领域，在今天的控制系统和工厂自动化系统中，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及。 可是，随着以太网技术的不断发展，在许多层面上都对软件与硬件提出了更高的新要求。而目前的SOPC技术，正可以从多方面满足近年太网对其宽带、扩展性、组网灵活性等层面上的日益增长的需求。可见，二者的有机结合正是以太网技术发展的大势所趋。论文基于 SOPC 设计思想，在 Xilinx 公司提供的硬件开发平台下，使用MicroBlaze 软核处理器，与以太网模块及其他相关的 IP 核一起，构建基于片上可编程系统的网络的应用。在网络协议上，使用轻量级互联网协议（LightWeight Internet Protocol，L
6、wIP）作为网络传输协议，并在此基础上，设计了一个远程浏览控制系统和数据回传服务器。最后测试的结果表明，整个设计相对于传统的实现方法，更加简单灵活，可以利用相对较少的资源获取很高的数据处理速度。关键词：SOPC ；MicroBlaze；LwIP 协议；以太网北京化工大学毕业设计（论文）IVABSTRACTIn recent years, with the development of SOPC (System On Programmable Chip) technology, the designers are able to break through the bottleneck of t
7、hroughput and performance from the internal systems, structures and memory bandwidth,and other aspects so on,and meet the program on the embedded system more features, better performance and flexibility requirements. This is done to promote increasingly to small embedded systems, high integration, h
8、igh reliability and adaptability of an important trend in the direction of development from one side. In this development trend, the study of network transmission function of a variety of embedded systems is increasingly becoming of great practical significance, especially in the structures on the E
9、thernet.Ethernet technology, rapid development in recent years, this rapid development, is no longer confined to the areas of commercial Ethernet, but has been extended to the industrial area.On todays control systems and factory automation systems, Ethernet Net applications and the PLC are almost a
10、s popular. However, with the continuous development of Ethernet technology, there have been many higher and newer requirements on many aspects. The current SOPC technology, are available from many of its broadband network to meet the very recent years, scalability, network flexibility, the growing d
11、emand. Combination of the two things is the general trend of Ethernet technology.This paper, based on SOPC design,utilizes hardware development platform provided in the Xilinx, using MicroBlaze soft-core processor, and Ethernet modules and other related IP core together, to build the system on a pro
12、grammable chip-based network applications. In the network protocol, using the LightWeight Internet Protocol (LwIP) as a network transport protocol, and on this basis, design a control system for remote browsing and echo server. Final test results show that the design is, comparing with the tradition
13、al implementation method, more simple, flexible, and can be used to obtain high data processing speed with relatively few resources.Key words：SOPC，MicroBlaze，LwIP Protocol，Ethernet 北京化工大学毕业设计（论文）V目 录前 言 .1第 1 章 系统整体结构设计 .4第 1.1 节 系统硬件开发平台介绍 .4第 1.2 节 系统软件开发平台介绍 .5第 1.3 节 系统整体结构概述 .7第 2 章 基于硬件平台的 IP
14、核设计和配置 .9第 2.1 节 片上可编程系统的原理及结构 .9第 2.2 节 嵌入式处理器系统结构配置 .92.2.1 MicroBlaze 软核处理器原理 .92.2.1 嵌入式处理器系统外围总体配置 .12第 2.3 节 以太网 MAC 核配置 .15第 3 章 系统软件平台设计 .17第 3.1 节 软件平台选择和设置 .173.1.1 XMK 软件系统及 LwIP 协议介绍 .173.1.2 系统软件平台选择和配置 .19第 3.2 节 应用软件程序 .213.2.1 Echo 服务器应用程序 .213.2.2 远程浏览控制器应用程序 .22第 4 章 系统验证 .24第 4.1
15、节 系统开发测试步骤 .24第 4.2 节 测试 Echo 服务器的实现 .25第 4.3 节 测试远程浏览控制器的实现 .27参考文献 .30致 谢 .32附 录 .33北京化工大学毕业设计（论文）1前 言研究背景近些年以来，随着计算机的不断发展和各种应用的需求，嵌入式系统的设计和研究已成为一门热门课题。嵌入式系统经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控制系统，发展到嵌入式智能平台的几个阶段；从独立单机发展到联网设备；从以模拟电路为主发展到以数字电路为主的数模混合型，进而进入了全数字时代。嵌入式系统正逐渐向着更高性能，更小体积，更低功耗，更低成本的方向不断发展 1。以FPGA为核心的
16、PLD(Programmable Logic Device)产品是集成电路领域发展更新最快的产品。FPGA以其高密度、大容量，低成本和微功耗等特点，被广泛的应用于各种电子系统的设计和开发中。随着各种处理器以IP 核的形式嵌入到FPGA中，利用IP复用技术，将FPGA打造成为一个平台，从而使FPGA提供更多的更灵活的解决方案，使FPGA逐渐在嵌入式系统领域发挥着越来越重要的作用。FPGA器件逐渐取代了相当数量的中小规模ASIC器件和处理器，原因就在于嵌入式系统自身已具备了片上系统的规模和动态可编程的能力。在这其中，SOPC技术是一种特别的嵌入式系统。它由单个芯片就能完成整个系统的主要逻辑功能，并
17、且还具有高度的灵活性，而且开发周期短，可裁剪，可扩充，可升级，同时利用软硬件进行协同设计，实现整个系统的功能设计。可见SOPC 技术所具有的其独特的优越性。随着嵌入式系统在联网技术上的成熟，将嵌入式系统应用于以太网技术已成为一种必然趋势。因为当前的SOPC技术，正可以从多方面满足近年太网对其宽带、扩展性、组网灵活性等各个层面上提出的日益增长的更高的需求。在此背景下，本设计以Xilinx公司的中低端Spartan3E型号FPGA 芯片作为主要器件，以MicroBlaze 软核微处理器作为系统主要处理器，并结合该芯片内部集成的双模以太网访问控制模块（Tri-mode Ethernet MAC，TE
18、MAC），构建基于SOPC的以太网络传输系统。并采用LwIP协议作为网络传输的基本协议，实现网络数据的回传显示，以及一个可以对开发板进行浏览控制的网络服务器的系统。片上可编程系统技术概述由于持续增长的对系统的功能、性能和灵活性的需求，传统的设计方法已经不适应这种要求。于是，很多FPGA厂商将专用的嵌入式处理器PowerPC、ARM等嵌入北京化工大学毕业设计（论文）2到FPGA芯片中。从而将原来的单纯意义上的FPGA变成了一个基于FPGA 的开发设计平台，进而为系统设计提供了一个灵活的解决方案。在该解决方案中，一个单FPGA芯片上提供了大量的IP软核和硬核资源。这些固件和硬件可以在以后的日子里的
19、任何时间进行升级。这就大大缩短了系统的开发时间，最主要的是提高了资源的复用率。这种基于FPGA的片上可编程系统，也就是SOPC设计，采用了软硬件的协同设计，这是在任何时候都要重点强调的，主要涉及到系统硬件结构设计，以及在硬件平台的基础上的系统软件和应用层软件的设计。在整个SOPC设计中，IP 核技术的出现和使用，具有非常重要的意义。现在的设计规模愈加巨大且功能不断趋向复杂，无论从那种角度考虑，设计人员都不可以也不可能什么都要从头做设计。而IP核的出现正可以满足这种要求，在设计中尽量使用现有的功能模块（也就是IP核），只有在没有现成的模块可供使用时，设计人员才设计新的模块，从而节省大量的人力物力
20、资源。IP核是具有知识产权的集成电路芯核总称，它是经过反复验证的，具有特定功能的宏模块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不同半导体工艺的芯片中，其各方面的性能和准确性是有保障的和值得信赖的。IP核在提供方式上，通常可分为软核，硬核和固核三类。而从完成IP核所开销的成本来讲，硬核代价是最大的，但性能更加稳定；从使用的灵活性来讲，软核的可复用使用性最高。图前1显示了SOPC的实际设计流程。北京化工大学毕业设计（论文）3图 前1 Xilinx的SOPC 设计流程利用Xilinx公司提供的集成化的系统开发软件环境，可以极大的简化和方便了系统的开发工程。但这种协同设计的理念也同时对设计人员的能力提出了个更
21、高的要求。以太网络概述以太网（Ethernet ）是目前最为广泛的局域网（LAN ）技术，具有多种形式。在互联网中，大部分数据流量都是通过以太网的连接而开始和结束的。以太网适合在本地通信介质上进行高速传输不定时大流量的数据，其设计目的就是为了在本地工作组级网络资源共享和处理而设计的。以太网设计的目标包括间接性、低成本、兼容性、公平性、低延时以及高速度 2。以太网是一种广播式的网络，采用带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD ）机制。在以太网的节点进行监听可以看到网络中发送的所有信息。以太网的帧是数据链路层的封装，网络层的数据包被加上帧头和帧尾成为可以被数据链路层识别的数据帧 3。随着技术
22、的发展和各类应用的需求，出现了各种以太网的标准。主要包括标准以太网，快速以太网，千兆以太网和万兆以太网。不同类型的以太网有其各自需要遵循的标准，同时其所用的传输介质以及数据吞吐量也各不相同。基于SOPC技术的以太网设计现状和发展方向目前SOPC 技术中以能够运用的以IP核形势存在的以太网控制器EMAC ，正是一种可以推动SOPC技术在以太网领域的应用 4的重要 IP核。北京化工大学毕业设计（论文）4Xilinx公司的各个系列的FPGA ，利用EDK 嵌入式开发包软件，将微处理器和各种外设控制器IP核通过系统内部总线进行连接，实现互联，从而构建出基于 SOPC的嵌入式系统硬件平台。由于多数IP核
23、都以软核形式提供给设计者使用，设计者可以根据自身需要，灵活的对系统进行裁剪和定制。也可以利用软件平台，在没有现成的功能模块的情况下，进行自主设计。通过该开发工具包将EMAC 与外部的PHY 进行连接，从而实现以太网数据传输的必要的硬件连接结构，完成TCP/IP通讯协议的物理层和数据链路层的连接。而在应用软件上，本设计中将针对MicroBlaze微处理器软核，利用Xilinx公司自带的微核Xilkernel对相应的软件平台进行设置，选用合适的TCP/IP协议包，并为各种外设选择相应的驱动。由EDK生成与硬件系统向对应的板级支持包BSP ，并在此设计基础上添加应用程序软件，从而实现网络通信协议的应
24、用层、传输层和网络层功能 5。北京化工大学毕业设计（论文）5第 1 章 系统整体结构设计第 1.1 节 系统硬件开发平台介绍本设计中使用的为 Xilinx 提供的 Spartan3E-Starter Kit 开发板。图 11 给出了 Spartan3E-Starter Kit 开发板的方框图。图 11 Spartan 3E-Starter Kit 开发板平台方框图其中与本设计相关的主要部件有：(1) 开发板主芯片 Xilinx Spartan-3E FPGA XC3S500E-4FG320C；(2) 64 Mbyte DDR SDRAM；(3) 一个 3.3V 时钟晶振；(4) 通用 DIP 开关，LEDs；(5) 10/100 以太网 PHY 收发器，RJ-45 连接头，MII 以太网 PHY 接口；(6) JTAG 配置端口，使用平台 USB 下载线；(7) 板上电源，电源指示灯 LED；(8) BDM 调试端口。各部件的主要功能如表 11 所示。
