在嵌入FPGA的IP核8051微处理器上实现UIP协议栈的设计方法.docx

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1、在嵌入FPGA的IP核8051微处理器上实现UIP协议栈的设计方法“引言随着芯片规模的越来越大、资源的越来越丰富，芯片的设计复杂度也大大增加。事实上，在芯片设计完成后，有时还需要根据情况改变一些控制，这在使用过程中会经常遇到。这时候如果再对芯片设计进行改变将是很不可取的，因为需要设计人员参与这种改变，这无论是对设计者还是用户都是不能接受的。于是就有必要让这种可以改变的简单控制在芯片设计时就存在，而且同时还应该使这种改变相对容易，比较通用，并且与芯片的其它设计部分尽量不相关。为了满足上述的要求，在FPGA中嵌入一个IP核是比较理想的选择，而这个即通用又控制简单的IP核最好选择8051微处理器。在

2、FPGA中植入8051后，还可在上面实现简单的TCP/IP协议，以支持远程访问或进行远程调试，这只是在嵌入FPGA的8051上的一个应用。为了保证用户能够对8051实现不同的控制操作，设计时也可以采用一个外部f1ash对8051进行加载，这样，用户只需要将编译好的汇编语言代码加到f1ash就可以控制8051的工作，而此时用户完全不需要对FPGA进行操作就能实现简单的控制，而这需要的仅仅只是拄I1的编译环境。1IP核8051的FPGA实现现在有许多免费的8051核可以利用，这些核都可通过硬件描述语言来实现，并且基本上都可综合，也就是直接拿来就能用，需要的只是根据自身的具体需求做一些简单修改即可。

3、总的说来，IP核8051的移植是比较简单的。本系统的设计与实现可以采用2ieganoSyStem的mc8051内核，并且加入定时计数的和串口模块，8051单片机的设计结构框图如图1所示。33sre1806通的记计“构用N1I1rxduONi11txdN111rxdo在8051核的FPGA设计中，完全可以实现包括计时/计数、中断、串口、数据及程序存储器、特殊寄存器、布尔处理的位处理机等的所有功能，而且兼容所有指令，只是在具体的移植过程中做一些改变而已。这种方法对程序存储器不再做内外之分，因为FPGA内部存储容量已经能够满足要求，同时将程序存储器的容量扩大了一倍（变为8KB）,以满足大程序的容量需

4、求；为了让8051更为强大且更具有通用性，可将数据存储器RAM的容量扩大一倍,变为256字节。可以看出，在设计过程中将8051的功能也进行了加强，但是并不影响对它的控制，仅仅是在硬件上对存储器的容量进行了扩大，而这种扩大只是改变了地址线的宽度，完全不影响I11条指令的正确执行。对用户来说这只是可以使用的内部RAM增加了，控制并没有任何改变。当然，在资源比较紧张，而且程序容量比较小时，也可以将存储器的容量改小，这种改变也相当方便，只需要改变地址线的宽度就能达到目的。由此可见，设计时完全可以根据需要改变IP核的设计，而不局限于80510虽然整个805IIP核能正确执行所有指令，并能实现串口、计时器

5、及中断控制，且整个IP的核工作时针也在20MHz以上，但是，由于这时候的所有指令周期并不与真实的8051完全一致，IP核中有的指令需要比真正的8051多执行几个周期才能完成，这就使得分析IP核的工作时钟复杂起来了，因为相对于真正的8051不能有一个精确的工作时钟对比。但是经过分析仍然可以认为，IP核应该可以工作在15MHz左右，也就是比真实的8051快了15倍左右。这对于芯片整体来说，其速度可能相对较低，但是由于这部分与芯片其它部分的逻辑相关性极小，所以并不会影响芯片的整体性能，而对于一些简单控制来说，这个速度还是能够满足要求的。2UIP协议栈在FPGA中实现TCP/IP协议的主要目的是为了满

6、足设计人员对芯片的远程调试。而满足这种要求实际上并不需要很强大和快速的传输功能。功能过于强大将会占用过多的资源，而且实际上，很多功能并没有实际作用；同时也不需要很快的传输速度。毕竟对于一个芯片的设计来说，无论是设计文档或是设计程序，容量都是非常有限的。综合考虑，则应选择一个实现简单、占用资源少，但能够比较稳定地进行数据传输的协议，为此，本文选择了相对简单的UIP协议栈，而放弃了功能比较强大的1WIP协议栈。选择UIP还有一个好处，就是这个协议栈是专门针对单片机等微控制器设计的TCP/IP协议栈,它色够利用嵌入的IP核8051来实现TCP/IP协议，而不再需要额外的逻辑单兀。UIP的特点是代码量

7、和数据量都比较小，因而可以为存储器比较紧张的地方提供合适的实现方案，包括TCP/IP所需的最小实现方案和只包含TCP、IP.ICMP(ing)以及简单的UDP协议，其具体的实现方法如图2所示，图2中，带“X”的表示已经实现。FeatureuJPIPandTCPchecksumsIPfragmentreaMembkIPop(IOmMUhJPkIntCrfaCG1DPMu1tip1eTCPcrtnnectKimTCPtmsVahkTCPh(SSRTTeamrtmTCPf1owc(nUn1S11uvTCPwindowTCPCongcs1Mmcontro1O1-APPCA1X()IinI1*1,.-.

8、-I笈处底层同培也$耶济I瘠镇定时rn3uif议栈的找口（1）协议栈是用C语言编写的,故在移植时需要再加上两个头文件，一个是8051的头文件，另一个是8051的硬件初始化头文件；（2）通过kei1c编译器编译时，在选器件时需要注意，只有选取数据寄存器为256个字节才能顺利通过编译，这也是为什么前面8051IP核的数据存储器RAM需要扩展至256个字节的原因。不对RAM进行扩展，就会出现“不能写B9地址”的错误，因为在没有对RAM扩展前，根本不存在B9地址；（3）将软件kei1编译生成的hex文件送入到8051的程序存储器，即可在IP核8051上实现简单的TCP/IP协议。这在软件测试时，与实际

9、工作将有所不同。软件测试时需要将hex文件作为程序存储器的初始化输入，即在EDA软件编译8051时，将程序存储器的初始化文件mif的路径设置为hex所在的路径，在完成综合布线后，hex文件的内容就进入了程序存储器。这样，仿真时就能在8051IP上实现TCP/IP协议了。3.2UIP的工作流程TCP/IP协议在嵌入到FPGA的IP核8051上的工作流程，实际上也是简化后的TCP/IP协议的工作流程，这跟正式的TCP/IP协议有所不同。下面的工作流程以输入一个同步帧（即：三向握手的第一次握手）为例。对于8051实现的U1P来说，它属于被动建立连接，其正确的输出结果应该是三向握手的第二次握手，送出一

10、个确认同步帧是所期望的结果。下面简单介绍UIP的整个工作流程：（1）在PO端口有数据前，读取数据函数并反复执行，以对PO端口进行监视（此种情况只是在测试时，实际工作中物理层通过控制值号通知读数函数PO口是否有数据）；（3）为信号的第8级分解小波模极大值图；（4）为信号各级（共9级）的高频分量即小波系数。由图4可以看出，该故障信号分析仪能有效采集实时故障信号，并可在对信号经过小波分析后有效的提取故障特征，而且故障点定位明显。5结束语该便携式接触网故障信号分析仪采用图形化程序设计语言1abVIEW开发设计，可实现数据的高速实时采集、在线分析、自动存储、显示等功能。高速数字化仪N1PXI-5112卡采样速度高、性能稳定可靠，适宜对高速变化信号的实时监测。将软件安装在PXI-1042工控机上，具有体积小、抗干扰能力强、携带方便等特点，同时具有故障性质判断、故障定位功能。该系统目前己经在石家庄变电所现场运行，效果良好。责任gt