基于FPGA的嵌入式串行千兆以太网设计

本系统使用时钟生成器IP核生成系统各模块工作时所需时钟。该IP核模块的输入时钟为FPGA全局时钟引脚输入的100 MHz时钟，经过相应的倍频，生成400 MHz的PowerPC440工作时钟，生成200 MHz的DDR Il工作时钟以及125 MHz的Ethernet MAC工作时钟。
在各模块添加及连接结束后，需添加UCF约束文件，包括FPGA引脚约束和相应的时序约束等，并对XPS自动生成的微处理器硬件规范MHS文件进行相应的修改，对系统进行适当的优化。生成的系统在综合、布局、布线无误后生成最终的．bit文件，准备下载到电路板上。

3 嵌入式系统软件设计
本系统软件部分需实现TCP／IP网络协议，TCP／IP协议模型包括应用层、传输层、网络层和网络接口层。网络接口层分为PHY层和MAC层两部分。其中，PHY层由外部PHY芯片88E1111实现，MAC层由Xilinx公司的Hard Ethernet MAC IP核实现，并作为整个Power-PC系统硬件的一部分在FPGA的内部实现。
网络层和传输层主要采用LwIP协议模块编写相应的软件代码。LwIP同时支持服务器模式和客户端模式，提供RAW和Socket两种API。它的特点是在保持TCP／IP协议主要功能的情况下，减少对RAW的使用，使得LwIP在各类高档嵌入式系统开发中得到广泛的应用。本设计选择Xili nx公司的精简嵌入式操作系统Xilkernel，用于更好地管理系统资源。Xilkernel能与EDK形成的硬件系统紧密结合，是一种可定制的简单高效系统。Xilkernel系统的配置可以在开发环境SDK中进行手动设置。本设计中运用LwIP协议模块编写运行在Xilkernel操作系统上的应用软件，实现了Web Server(网页服务)、FTP(FileTransfer Protocl)、Telnet远程登录服务、iperf应用等功能。下面以网页服务程序、iperf服务器和客户端程序为例对软件设计流程进行说明。
具体流程描述如下：
①在Xilkernel系统的静态启动线程main_thread()中，初始化网络协议和文件系统。
②调用线程生成函数sys_thread_new()生成并启动线程1。
③在线程1中设置电路板硬件的MAC地址、网关、IP地址和子网掩码等参数，并初始化网络接口。具体设置方式如下：MAC地址为00；0a：35；00；01；02；IP4地址为192．168．1．10；IP4地址掩码为255．255．255．0；IP4地址网关为192．168．1．1。
④初始化一个Socket，将它与IP地址和端口号绑定，然后开始监听网络，一旦监听到网络请求，再由函数sys_thread_new()生成一个线程2去响应，用于缓存接收到的数据包。然后，通过函数launch_app_threads()判断监听到的网络请求属于哪种类型，并由函数sys_thread_ new()生成相应的线程3去处理。
如果是网络服务请求，则将网页文件输出到PC机上，并接收PC机传输的控制数据信息，其程序流程如图5所示。如果是iperf应用请求，则发送或接收相应的数据完成对请求的响应。

网页服务程序运行前需在FPGA外部的DDR中建立文件系统，将用于控制的相关网页文件保存在该文件系统中。系统在运行时，访问预设的IP地址，会将相关网页文件传输到远端控制电脑上，并通过网页中的超链接命令脚本将预设的控制信息传送给PowerPC处理器，用以控制电路板上的LED灯亮灭，或者读取电路板上拨码开关的状态值并在服务器首页上显示。
本设计中采用iperf网络测试软件对其性能进行测试。采用9 000字节巨帧可以实现高达490 Mbps的传输速率。

结语
本文成功使用Virtex-5 FX70t芯片实现串行千兆以太网系统，并通过网页服务程序对其功能加以验证。本系统在硬件电路设计阶段具有I／O端口数目少、便于PCB布线，以及信号完整性容易保证等优点。通过iperf网络测试软件对其传输速率进行测试，其结果达到高速数据传输的要求。