FPGA的TCP／IP通信协议与Matlab通信系统的研究（2） 网络通讯, IP协议, 嵌入式, 操作系统, 通信

yuyang911220

3 系统的软件平台及网络协议的实现　　3．1 软件内核和协议
　　本设计主要选择了Xilinx公司的精简嵌入式操作系统Xilkemel，它是Xilinx提供的用于EDK系统的小型、模块化的嵌入式操作系统内核，它支持Microblaze核，与EDK形成的硬件系统无缝连接，具有可定制、CPU资源占用较小、运行速度快等特点，是MicroBlaze嵌入式软核的理想操作系统，其整体的开发流程如图4所示。

　　网络通讯协议我们采用TCP／IP协议，该通讯协议采用四层(应用层、传输层、互连网络层、网络接口层)层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求，系统分为两部分实现：
　　第一部分为物理层和MAC层，本设计中用LAN83C185来实现物理层，MAC层由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核，并作为整个MicroBlaze系统硬件的一部分在FPGA内实现。
　　第二部分是运输层和网际层，主要由软件代码实现。TCP／IP网络通信软件允许用户远程注册到另一个系统中，并从一个系统复制文件到另一个系统，虽然Xilkernel本身不带有文件处理系统和TCP／IP协议栈，但它与Xilinx公司的LwIP库具有良好的接口，加上系统支持库 LibXilMFS可形成一个比较完整的嵌入式系统，其特点是内核配置功能都已集成到EDK工具中，使用简单、方便，内核启动静态创建线程，而动态分配内存，可加载或卸载不同功能模块来实现内核的高扩展性。
　　本设计主要采用LwIP3．OOb(Light weight Internet Protocol stack)协议模块套用于嵌入式系统的开放源代码TCP／IP协议栈中，LwI-P3．00b提供二种API模式：Socket模式和RWA模式，由于 Socket模式开发难度不大，只要启动Xemacif input thread线程，从中断响应的过程中接收数据包并转移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考虑我们决定上层协议部分协议模块采用Socket模式，因此需在MSS文件里对LwIP进行例化(包括相应的 LwIP参数设置)从而减少存储器利用量和代码编写。
　　3．2 网络通信程序的实现与设计
　　网络通信程序主要完成从超极终端发送数据，传到Simulink中的ICP／IP接收模块。下面是主要的网络通信程序：
　　Server_thread()函数是Xilkernel的第一个线程，初始化LwIP协议栈。
　　ServerAppThread()函数可完成MAC、IP、掩码以及网关的配置，并完成Socket应用。
　　以太网的配置如下：

　当服务器程序开始运行时，主进程就创建一个套接字，


　　并通过bind函数绑定，用函数listen进行*，之后用lwip_accept进行接收，然后用sys_thread_new启动进程，processGet和Process Command函数分析数据包的内容并应用web serber定义的相关的命令实现相关的应用，write函数实现数据的发送，完成Socket服务并把数据发送给客户端。
　　Simulink中用TCP／IP模块，remote address参数设定为(211、80、192、237)，端口设定为80，即与IP4_ADDR(＆ipaddr，211，80，l92，237)和 address．sin port="htons"(80)设为一致，这样就保证了接收与发送网络地址和端口的一致性，保证数据传输的可实现性。设计发送的数据为：t=0：0．25：10，Y=sin(2*pi／10*t)，数据列表如下：

　　对应的Simulink接收模块的数据图形显示如图5所示。

　　由图5我们可以看出，接收到的数据和发送的数据基本一致。
　　4 结论
　　本文研究了TCP／IP通信协议在Xilinx公司FPGA上的实现，介绍了其软硬件的系统组成及原理，通过建立一个例子加以说明和应用这个设计平台，证明了此平台设计可行性，并且完成了FPGA与Matlab的通信，为数据的实时显示及实时控制提供了很好的平台和设计方法，本设计也完成了 CPU软核设计的实现，其功能可根据需要进行定制，非常灵活，不但引入了软核处理器和嵌入式操作系统Xilkernel，而且应用了Lw-IP_300b 栈，使用大量的IP核，这样大大降低了系统平台的复杂度，缩短了开发的周期，其软硬件部分的设计分离的设计架构，使得整个系统修改和重构更加方便，真正实现了所谓的片上系统。而本设计采用Matlab接收数据，并且可利用其强大的数据采集、处理、仿真、实时动态显示的功能来更好完成数据分析研究。