基于FPGA的嵌入式网络的通信及应用

本文介绍了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)和网络芯片RTL8019AS 架构的网络应用开发平台的设计原理及具体实现。讨论了FPGA在网络系统中应用的灵活性以及优于其他平台的特点。并且给出了该平台网络应用的实例。FPGA采用的是ALTERA公司的CycloneII 芯片。网络芯片是台

基于FPGA的嵌入式网络的通信及应用

田其智

北京邮电大学自动化学院，北京（100876）

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摘 要：本文介绍了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)和网络芯片RTL8019AS 架构的网络应用开发平台的设计原理及具体实现。讨论了FPGA在网络系统中应用的灵活性以及优于其他平台的特点。并且给出了该平台网络应用的实例。FPGA采用的是ALTERA公司的CycloneII 芯片。网络芯片是台湾Realtek公司的8019AS

关键词：FPGA，嵌入式网络，TCP协议

1. 引言

网络技术的迅速普及与广泛应用使得当今的社会知识爆炸，信息流通呈现出多样性与广泛性，在这一过程中基于网络的嵌入式系统的发展更是层出不穷。为了更好和更方便的利用网络资源，人们给其使用的各种设备增加了网络的接口。如何能将网络功能集成到系统中更高效的服务于社会成了大家研究的热点。从大型计算机的CPU与操作系统结合的网络系统，到可以连接网络的PDA，以及被广泛使用的单片机与网络芯片结合的网络系统的应用可以看出，人们现在已经不满足于系统能连接网络，而是向着网络的小型化，智能化发展。

本设计采用的是ALTERA公司，采用台积电的90nm，低K值电介质工艺的，高密度大容量的FPGA (Field Programmable Gate Array)芯片，它最多可以达到68416个LE和1.1Mbit的嵌入式存储器；多达150个18x18 嵌入式处理器用于低成本数字信号处理（DSP）应用；专用外部存储器接口电路用以连接DDR2、DDR和SDR SDRAM以及QDRII SRAM存储器件；支持单端I/O标准用于64-bit/66-MHz PCI和64-bit/100-MHz PCI-X (模式1)协议；具有差分I/O信号，支持RSDS、mini-LVDS、LVPECL和LVDS，数据速率接收端最高达805兆比特每秒（Mbps），发送端最高622Mbps。由于FPGA具有现场可编程逻辑模块，可编程I/O，可编程内部连线，而且还可以配置成RAM等复杂得形式。其内部自带多个锁相环，同时配置数据可以存储在片外得EPROM或计算机上。[1]因此基于FPGA的嵌入式网络的功能和性能都能得到很大的扩展。

2. 硬件系统介绍

系统主要包括以下几个部分（如图1）:

本文介绍了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)和网络芯片RTL8019AS 架构的网络应用开发平台的设计原理及具体实现。讨论了FPGA在网络系统中应用的灵活性以及优于其他平台的特点。并且给出了该平台网络应用的实例。FPGA采用的是ALTERA公司的CycloneII 芯片。网络芯片是台

图1 系统结构图

2.1核心及外设：

CycloneII 的EP2C20Q240C8芯片，这款芯片具有4个模拟锁相环，18752个LE（logical Elements）RAM 52个4K的RAM，[2]可以极大的满足要求，并且又有很强的扩展性，便于复杂的应用。

EPCS4 是4M串行FLASH主要用来存放软件代码以及一些需要保存的参数，在上电时候自动配置FPGA芯片。同时可以进行JTAG现场调试;

SDRAM 系统运行中代码和数据的存储;

FLASH用来存储大量的数据，考虑到实际需要，实际I/O不可能有那么多，而所需FLASH容量大的特点，所以使用了地址数据共用I/O的NAND FLASH，这个与具体应用相关。

2.2网络部分：

2.2.1功能介绍：

网络部分使用RTL8019AS以太网控制器,台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器，由于其优良的性能、低兼的价格，使其在市场上10Mbps网卡中占有相当的比例。它支持10Base5、10Base2、10BaseT标准；全双工，收发可同时达到10Mbps的速率；在其内部，内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；通过对IOCS16B 引脚接地或者电源可以调整其支持8或者16位的数据总线，另外它支持8个中断以及16个I/O基地址选择。[3]

2.2.2内部RAM：

RTL8019AS内部有两块RAM区。一块16K字节，地址为0x4000～0x7fff；一块32字节，地址为0x0000～0x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。一般将RAM的前12页（即0x4000～0x4bff）存储区作为发送缓冲区；后52页（即0x4c00～0x7fff）存储区作为

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接收缓冲区。

2.2.3收发原理：

RTL8019AS的数据收发都是通过操作其内部远程DMA接口和本地DMA接口来完成的。

远程DMA接口是指FPGA对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线。FPGA收发数据只需对远程DMA操作。

本地DMA接口是把RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 FPGA向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了上一帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL819接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲，以减少对本地DMA请求的频率。

2.3硬件连接电路（如图2）：

图2 FPGA与RTL8019连接图

SN74LVC4245作用：

RTL8019AS 工作电压是5V的TTL电平，而FPGA的工作电压是3.3V的所以在二者相互连接的时候加入了SN74LVC4245芯片，这个芯片可以作为一个电平转换的缓冲器，可以将3.3V的总线信号与5V的总线信号相互转换，这样隔离了核心芯片与网络芯片，更加增加了系统的安全性。

3. 软件系统的设计

3.1模块设计（如图3）

3.1.1 TCP协议裁减模块

TCP（Transmission Control Protocol），即传输控制协议，是专门为了在不可靠的互联网络上提供可靠地端到端的字节流而设计的。TCP协议能够向发送方提供到达接收方的数

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据包的传送信息。当传送过程中出现数据包丢失情况时，TCP协议可以重新发送丢失的数据包，直到数据成功到达接收方或者出现网络超时为止。[4]

在嵌入式网络中，全部实现TCP协议是复杂的也是没有必要的。重新发送和数据流控制机制都可以忽略不计。故此我们要简化这个协议，只传送一些简单的数据和命令，如果传送中出现了错误，我们可以重新连接网络，然后重新传送数据即可，同时在数据端口上增加流量控制机制即可让嵌入式网络正常工作，处于这种考虑，特用硬件语言状态机将TCP协议简化为下图

TCP使用了三步握手法来建立连接其中SYN表示连接请求；ACK（SYN）表示连接确认；RST表示拒绝建立连接；FIN（CLOSE）主动关闭连接请求；ACK（FIN）关闭连接确认；TIME OUT计时等待结束。

图3 TCP裁减协议状态转移图

3.1.2网络芯片配置初始化模块：

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