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實現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信，有二種模式可以選擇：其一，編寫一個IP軟核；其二，用FPGA內(nèi)嵌的MAC內(nèi)核。方法一的靈活性大，但要實現(xiàn)并不容易，因此，賽靈公司將其歸為收費IP；方法二中，MAC的三態(tài)可配置特性為實現(xiàn)千兆網(wǎng)通信提供了可能。本設(shè)計就是基于此內(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)嵌了多個用于千兆通信的硬核。以XC4VFX20為例，如圖1所示，它通過一個主機接口連接了2個EMAC核。2個EMAC可以一起使用，也可以只使用其中的一個。
Virtex4中嵌入的Ethernet MAC硬核主要特點：
◆支持半雙工和(或)全雙工操作；
◆設(shè)計符合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，包括基于每個分組的統(tǒng)計數(shù)據(jù)矢量和流程控制。
通過一個與處理器無關(guān)的接口，可以對TEMAC核進(jìn)行配置和監(jiān)控，其為用戶選擇適合其應(yīng)用的理想處理器提供了附加的靈活性。
在1 Gb模式下，TEMAC支持千兆位級媒體獨立接口(GMII)和降低千兆位級媒體獨立接口(RGMII)。GMII是一個運行頻率為125 MHz的字節(jié)寬并行SDR接口，而RGMII是一個運行頻率為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，F(xiàn)X系列還嵌入了PowerPC，這樣，就可以用PowerPC控制Ethernet MAC實現(xiàn)千兆網(wǎng)的通信。
2 VxWorks下BSP的移植
VxWorks 操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(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，同時具有程序動態(tài)鏈接和下載的功能。自從20世紀(jì)80年代問世以來，以其不斷推出的升級版本、高性能內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地，尤其以成功應(yīng)用于火星探測車和愛國者導(dǎo)彈等高科技產(chǎn)品而聞名。VxWorks的板級支持包BSP (Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，主要功能是屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動。具體功能包括：
◆單板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個軟件系統(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)提供一個實時多任務(wù)的運行環(huán)境；
◆初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)的正常運行做準(zhǔn)備。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，BSP的開發(fā)是一項非常復(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組合自動產(chǎn)生用戶可裁剪的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)動和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驅(qū)動打包到BSP的子目錄下，并且把Xilinx器件驅(qū)動與VxWorks及其 Tornado集成開發(fā)環(huán)境無縫集成，充分縮短開發(fā)周期。
但是，BSPgen生成的BSP只是一個固定的BSP模板，并不能正確地反映RAM／ROM的存儲器映射，不支持用戶通過BSPgen流程自定義的核／驅(qū)動等。因此還需要對BSPgen產(chǎn)生的BSP進(jìn)行修改。
對BSP開發(fā)人員來講，借助EDK的BSPgen，還必須要做以下幾項工作：
?、傩薷腸onfig.h和Makefile中的RAM、ROM地址及串口速率；
②修改sysSerial.c，對串口進(jìn)行正確的設(shè)置；
?、墼黾硬荒芘cVxWorks無縫集成的器件的驅(qū)動文件，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IP地址。
經(jīng)過以上修改之后，將新的BSP放在Tornado的安裝目錄Tornado_root＼target＼config下。根據(jù)這個BSP，在Tornado集成環(huán)境下生成一個新的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中通過以下語句定義了網(wǎng)絡(luò)的MAC地址，必須根據(jù)真實的MAC地址進(jìn)行修改，如本文的MAC地址：00：0A：35：01：88：25
sysSerial.c對串口進(jìn)行初始化，因為要正確地指定串口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
通過對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／客戶端程序
對VxWorks BSP進(jìn)行正確的配置和修改后，在useAppInit.c中書寫自己的UDP服務(wù)器端程序。本設(shè)計用基于socket的UDP通信。
網(wǎng)絡(luò)通信一般可通過socket實現(xiàn)。socket編程均采用客戶機／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)程計算機的連接，使其彼此可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信過程如圖2所示。
服務(wù)器首先調(diào)用socket()建立一個套接字socket，然后調(diào)用bind()將套接字與一個本地網(wǎng)絡(luò)地址(IP地址和端口號)捆綁在一起，以保證客戶端正確識別。接著服務(wù)器再調(diào)用listen()使套接字處于被動的準(zhǔn)備接收狀態(tài)，同時規(guī)定它的請求隊列長度，隨后調(diào)用accept()來接收客戶連接。服務(wù)器進(jìn)程隨即進(jìn)入阻塞狀態(tài)。客戶與服務(wù)器的關(guān)系是不對稱的。服務(wù)器先啟動。然后在某時刻客戶主動發(fā)出請求，服務(wù)器被動應(yīng)答。
客戶端程序首先調(diào)用socket()，這個函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接口，并為每個套接口返回一個ID號。然后初始化一個套接口結(jié)構(gòu)體，為其賦上該 ID號以及服務(wù)端的IP地址和端口號，并將其作為函數(shù)connect()的參數(shù)．調(diào)用connect()函數(shù)主動去連接服務(wù)端。
當(dāng)服務(wù)端與客戶端建立連接之后，就可以發(fā)送(write)和接收(read)數(shù)據(jù)。部分代碼如下：
客戶端應(yīng)用程序在Windows下用VC實現(xiàn)，代碼略。
4 實驗結(jié)果
結(jié)合工程實際開發(fā)的順序，分2步對VxWorks下千兆網(wǎng)通信進(jìn)行測試：
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。程序跑到用戶編寫的usrAppInit.c。
第2步，對編寫的UDP服務(wù)器／客戶端進(jìn)行測試，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)下實現(xiàn)了UDP的千兆網(wǎng)通信，實測速度達(dá)到294.68 Mb/s，吞吐量達(dá)到近30％。