基于FPGA和LAN91C111的嵌入式以太网接口设计

2 软件设计
ALTERA公司提供的硬件抽象层(HAL)中封装了系统中硬件的相关细节和驱动程序，用户可在HAL的基础上方便地开发存储等应用程序。
NIOSⅡIDE环境中集成有μCOS II和LWIP，其中LWIP必须在μCOS的支持下使用。μC／OSⅡ是一种免费公开源代码，结构小巧，而且具有可剥夺
实时内核的操作系统，它可移植、可裁剪，最多可管理64个任务，其每个任务都拥有自己独立的堆栈，大部分源码可使用ANSI C语言编写，整个软件部分可在NIOS II IDE开发环境下完成。由于程序的内容较多，本文着重介绍LAN91C111的初始化、发送数据、接收数据三个部分的软件设计方法。
2．1 初始化
ALTERA提供有LWIP的NIOS II端口，其源代码包含在NIOS II开发工具包中。LWIP可为NIOS II处理器提供对以太网连接栈的快速、开源
地访问。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封装，提供有标准的、文档说明齐全的套接字API。LWIP协议栈的主要接口是标准的套接字接口。
除了套接字接口以外，还可调用lwip_stack_init()函数和lwip_devices_init()函数来对堆栈和驱动程序初始化。通过HAL系统代码可调用
init_done_func()、get_mac_addr()和get_ip_addr()函数来设置MAC地址和IP地址。为了初始化堆栈，在调用OSStart启动μC／OS II调度程序之前应调用函数lwip_stack_init()，其原型为voidlwip_stack_init( int thread_prio， void(*init_done_func)(void*)，void*arg)。堆栈初始化后，还必须调用函数init_done_func()，而该函数必须调用函数lwip_devices_init()。利用函数lwip_devices_init()可以对在system．h中定义的所有已安装的以太网设备驱动程序进行注册，若返回一个非0值则表示注册成功。注册成功后，TCP／IP栈即可使用，之后便可在程序中创建任务。该函数的参数是接收线程的优先级。LWIP系统码在设备初始化过程中，可通过lwip_devices_init()函数调用函数get_mac_addr()和get_ip_addr()。用户通过编写这些函数，可在系统中将MAC和IP地址存放在任意位置，从而代替在设备驱动程序中固定位置的硬编码，并增加系统的灵活性。设计时，可以将MAC地址存放在Flash存储器中，也可以将MAC地址存放在片上内嵌的存储器中。当所有的初始化都准备好后即可调用OSStart()以启动RTOS进行任务调度。这个过程需要设置以太网目的地址、以太网源地址、协议类型，然后再按照所设置的协议类型来设置数据包。
2．2 数据的发送和接收
数据的接收和发送可采用中断方式。中断服务程序通过检查LAN91C111的中断状态寄存器来判断是发送中断请求还是接收中断请求。初始化完成后，即可创建任务，建立套接字，绑定端口，绑定完之后，再监听端口。当LAN91C111接收到数据包时，可由EPH模块察看此数据包的目的地址，若为本网卡的MAC地址或广播地址或多播地址，则把此数据包传送到LAN91C111的RAM中，并向处理器发送中断，由处理器进行数据处理。由于采用的是TCP／IP协议，接收数据应调用read()函数来接收建立连接的套接字中的数据，并将其放入缓冲区。发送过程则是由FPGA将数据传送到LAN91C111，再由LAN91C111将接收到的数据封装成数据包，并检测网络，当没有数据传输时，再将数据包传输到网络中，并向处理器发送中断信号，以表示数据传送完毕。发送数据时通过调用write()函数可将要发送的数据发送到指定连接的目的地址。

3 结束语
本文的整个设计使用了逻辑单元(LE)5314个，占用EP2C35F484芯片内部资源的16％，这充分体现了FPGA资源的丰富性。在传统设计中，通常选用单片机和低速网卡的设计方案，这在实际应用中，网络速度相对较慢，而本设计中选用高速的以太网控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，极大地提高了系统的网络数据处理能力，并可满足网络数据采集的需求。另外，基于FPGA的NIOSⅡ方案，还可根据实际需要添加不同IP，这也体现了SOPC的灵活性与可裁减性。