毕业设计（论文）基于以太网接口的存储仪器的设计研究.doc

基于以太网接口的存储仪器的设计研究摘要近年来武器系统广泛采用类如1553B、CAN、以太网等工业标准总线控制，存储测试、数据采集、控制机构或黑匣子测试记录系统等工作过程中大量数据要求准确、保密传输存储。在恶劣与危险环境下进行野外作业，如爆炸测试等，经常由于计算机被冲击损坏而导致所有重要数据丢失。如果在计算机外部的安全区域利用可靠的存储仪器与计算机互连进行实时数据传输并存储备份可以解决这一问题，但对传输速率和传输距离都提出了新的要求。 随着以太网技术的发展它将领导未来现场总线并有可能成为唯一的工业控制网络标准，在数字接口中的运用是一个主导趋势。它连接方式灵活多变，有良好的开放性和通用性，并没有以牺牲传输速度为代价实现远距离的数据传输，而是利用网络传输快捷的特性，既扩大了传输距离的范围又大大提高了传输的速度。本课题研究中利用以太网接口实现实时数据传输是一种很好的解决方法，摆脱了距离受限的影响，最大可达到100米，可以远离危险点，提高了数据备份的安全性。设计中针对以太网在计算机通信应用中协议内容相对复杂，硬件实现比较繁琐的问题，对以太网存储仪器的系统集成问题展开了探索性的研究。论文通过研究以太网数据传输的各种协议，选择了适合本课题要求的UDP协议；设计了简单可靠的硬件系统集成方案，组成了以FPGA为核心，集合FLASH存储器、以太网集成芯片、USB控制芯片等模块的集成试验样机，并用VHDL硬件描述语言编程设计了新的并行架构，进行了FPGA的功能编程和多级仿真以及系统的状态机仿真；设计了相应的软件，经过以太网传输存储实验证明所研究的方案是可行的，达到了预期的要求。关键词：w5100，FPGA，数据存储1绪论31.1课题来源、研究目的与意义31.2 国内外研究现状41.2.1以太网技术的发展41.2.2 存储技术的现状及发展71.3 课题主要研究内容92 以太网传输基本理论102.1 TCP/IP参考模型与0SI参考模型102.2 CSMA/CD机制132.3通信介质132.4 RJ45接口和数据泵142.5本章小结153 系统方案设计153.1 硬件方案153.1.1 主控芯片的选择153.1.2 以太网芯片的选择173.1.3存储方案选择193.1.4 RJ45接口和数据泵选择203.2 软件设计方案213.2.1 协议选择213.2.2 FPGA软件开发方法223.3 本章小结264 系统硬件设计274.1系统硬件设计总体方案274.2 系统各模块电路设计284.2.1 以太网芯片接口电路设计284.2.2 存储电路设计304.2.3 电源电路设计334.2.4 RJ45接口电路设计354.2.5 配置接口设计354.3本章小结365 软件设计385.1 总体构架385.2 以太网控制器程序设计395.2.1 子模块设计395.2.2初始化设计405.2.2数据接收与发送过程435.3 FLASH程序设计455.3.1 模块功能455.3.2数据缓冲设计465.3.3坏块检测设计475.3.4 FLASH中央控制设计475.4 U盘文件系统程序设计505.4.1 主流程设计505.4.2 各模块程序设计515.5 按键消抖535.6 上位机软件设计545.7 本章小结566 测试结果576.1 Ping功能测试576.2 数据传输测试576.3速度测试596.4本章小结607 结论617.1 全文总结617.2 本文的创新点和不足617.3 前景展望611绪论1.1课题来源、研究目的与意义全世界的信息存储量从1993年的20000TB(1012字节)增长到1997年的50000TB，直至发展到惊人的300万TB。因此，存储大量信息数据的实力已成为监测、侦察、管理及武器控制及航天系统等领域考虑的主要问题1。近年来武器系统广泛采用类如1553B、CAN、以太网等工业标准总线控制，存储测试、数据采集、控制机构或黑匣子测试记录系统等工作过程中大量数据要求准确、保密传输存储。实现数据的存储及备份，保护数据安全在数字系统应用中拥有着越来越突显的位置。在存储测试及数据采集的过程中，经常要利用计算机进行数据处理与计算，但是在恶劣与危险的环境下，如爆炸等，经常由于计算机被冲击损坏而导致所有重要数据丢失。在计算机外部利用可靠的存储装置来进行数据的存储可以防止数据的丢失并且实现重要数据的备份。 传统的数据传输方法，如利用串、并接口，比如RS232、RS485等，数据传输速度非常有限，对大数据量和实时性的要求显得无能为力。现在流行的USB总线可以达到非常高的传输速率, 但传输距离有较大的限制，该装置还是有损坏的危险。目前工业上广泛采用的现场总线，其通信速率不超过20Mbps，带宽难以满足高速高精同步运动控制的需要，并且不能与计算机网络技术同步发展。利用以太网接口实现实时数据传输是一种非常好的解决方法。作为当今最流行、应用最广泛的通信网络，以太网具有开放性、可靠性、价格低、速度高、多种传输介质可选、连接方式灵活多变、易于组网应用等优点。另外，以太网传输介质采用常用的双绞线l0BASE-T、l00BASE-T等，抗干扰能力强，还降低了网络运行成本，并且不存在现场总线技术与计算机网络技术互不融合的问题，能够与计算机网络技术很好地融合并互相促进。随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足于几个字节，甚至是网页，所以网络传输的高速度越来越重要。以太网通信速度一再提高，从10Mbps提高到l00Mbps。在通常的应用环境下，以太网的数据差错不容易在应用中表现出来，而是被底层的差错控制机制自动校正。因此，网线在100米之内的数据传输都是可靠稳定的。所以此装置可以在100米之内任意距离被使用，大大提高了使用领域。值得注意的是，它并没有以牺牲传输速度为代价实现远距离的数据传输，而是利用网络传输快捷的特性，既扩大了传输距离的范围又大大提高了传输的速度。1.2 国内外研究现状1.2.1以太网技术的发展局域网就是将一个局部的地理范围内的各种通讯设备都连接起来的计算机通信网络。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远处的数据库或局域网相连接，这使它能够在局部范围内利用价格便宜、方法简单的技术来实现网络资源共享。总线拓扑、星型拓扑、环状拓扑三种结构是局域网比较常用的拓扑结构。用户可以根据实际需要选择其中的一种或者综合使用几种拓扑结构。随着多年发展，以太网技术已成为目前世界上最流行的局域网拓扑标准。以太网是由美国的Xerox公司于1976年开发并由DEC公司(DigitalEquipmentCorp)、英特尔公司(IntelCorp)、和xerox公司联合在1982年开发出的基带局域网规范，1983年被正式列为国际局域网网络标准。以太网是目前应用最广泛的局域网技术，它具有价格低廉、系统功能强、安装简便、维护方便、传输速率高、网络软件丰富等很多优点。需要注意的是它并不是具体的网络，而是一种技术规范。众所周知Ethernet网络出现于1975年，并于1982年制定成为IEEE 802.3标准的第一版本。从1983年以来，以太网技术(802.3)、令牌环(802.5)、令牌总线(802.4)三者并驾齐驱于局域网领域。但是随着时间的推移，以太网技术以巨大的优势在与令牌总线局域网和令牌环局域网两个对手的竞争中脱颖而出。以太网技术的每一次产品的变革，都是顺应社会的需要，这使以太网标准在1990年2月正式成为ISO/IEC 802.3国际标准。三十多年的发展，Ethernet从最初10Mbps以太网，过渡到100Mbps快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的光纤以太网和万兆以太网，使它成为目前的最成功的网络技术。高技术芯片和系统也随着Ethernet网的快速发展和广泛应用而得到了有力地推动，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。因而，Ethernet每年在世界上的安装量超过上亿个节点2。目前以太网技术的发展体现在以下几个方面： 1.通信确定性与实时性： 控制作用对信号的实时性要求是现代以太网技术的最大特点，这要求信号传输要有一定的确定性并且有足够的快的速度。传统以太网技术一直被看做非确定性网络其原因就是当网络负荷较大时，会带来网络传输的不确定性，因此难以满足通信的准确定时和实时性要求。 然而，交换式以太网技术与快速以太网的不断发展，为这个问题带来了新的契机。第一，以太网的通信速率从以前的10Mbit/s增大到如今的100Mbit/s、1000Mbit/s乃至10Gbit/s，也就是说在吞吐量相同时，通信速率的提高预示着传输延时的减小并减轻了负荷，即网络碰撞率大幅下降。第二，全双工通信采用接收线和发送线相互独立的方法，数据通信不会发生冲突，因此，碰撞机率大大降低，使以太网通信的确定性和实时性大大提高。 2. 稳定性与可靠性 以太网想要步入工业控制领域所遇到的另一个主要问题在于，它所用的集线器、接插件和电缆等均不能适应较恶劣的环境，比如：冗余直流电源输入、高低温、防尘等。为了解决在工业应用领域以及极端条件下网络也能稳定可靠工作的问题，许多公司专注于安装在标准DIN导轨上的导轨式集线器产品，冗余电源供电，接插件则采用牢固的DB-9结构，为恶略环境作业提供了有力保证。在2002年台湾四零四科技推出了新型工业以太网产品MOXA EtherDevice Server即工业以太网设备服务器，特别用于连接工业应用中具有以太网接口的设备，如 PLC、DCS系统等。在IEEE802.3af标准中，对以太网的总线供电规范也进行了定义，这样使得以太网技术逐渐趋于稳定与可靠。此外，在实际应用中，可采用网段分隔的使用方式，如：对速度要求较高的主干网采用光纤传输，现场设备之间的相互连接则采用双绞线传输，而对于比较重要的网段还可采用冗余网技术，以提高网络的抗干扰性和可靠性。 3. 以太网协议现代以太网技术不仅要求成功地完成数据传输功能，还需要多个网络节点共同协调完成特定的自控任务，并利用所传输的数据及指令，执行某些操作功能与控制计算。因而它需要在高层协议与规范上满足开放系统的要求及互操作条件。以太网技术规范只映射为ISO/OSI七层模型中的最底层两层即，物理层和数据链路层，而在之上的网络层和传输层，目前以TCP/IP协议为主。而对较高的层次如会话层、表示层、应用层都没有作具体的技术规定。为满足更多的应用要求，必须建立有效的、完整的、可靠的通信服务模型，协调好实时和非实时信息的传输服务，进而形成开放化的体系标准。以太网进入自动化领域推出了Ethernet/IP，它网络采用星形拓扑结构，利用商业以太网芯片、以太网交换机实现设备间点-点连接，支持10M、100M的以太网商用产品。其协议由三部分组成：IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP(Control Information Protocol)。Ethernet/IP采用ControlNet和DeviceNet控制网络中相同的CIP以提高设备间的互操作性，CIP控制部分提供实时I/O通信，信息部分实现信息的对等传输3。国际上成立了工业以太网协会（Industrial Ethernet Association）和工业自动化开放网络联盟 IAONA（Industrial Automation Open Network Alliance），他们与美国 ARC 咨询集团（ARC Advisory Group）、AMR 研究中心等机构合作，展开工业以太网关键技术的研究。美国电气工程师协会着手制定的现场装置与以太网通信的新标准为其进入工业自动化领域奠定了基础。全球主要的自动化厂商都参与研发了工业以太网的实现和相应的以太网标准，如SST公司的Net Gate Way，德国Hirschmann公司的RTI-TP/FL集线器，西门子公司的Simatic Net工业以太网等4。我国十分重视工业以太网技术的发展与研究，上海交通大学自动化系在国家自然科学基金的资助下提出了一种改进型以太网的介质访问控制协议。另外燕山大学信息学院的以太网排队模型研究和湖南大学电气学院的CSMACD协议性能研究等都为我国的工业以太网广泛应用打下了基础。目前，工业以太网技术的发展还处于发展初级阶段，但优越性是显而易见的，全面进入工业自动化领域是大势所趋，这主要从以下方面入手：未来网络拓扑结构、安全增长的重要性、无线网络新的应用可能、更高的网络带宽。它的应用和发展必将给科技、军事、工业、控制领域带来巨大的变革5。1.2.2 存储技术的现状及发展在人类信息技术发展史上，经历过三次发展浪潮。第一次为以处理技术为中心，处理器的发展为核心动力，促使计算机迅速普及和广泛应用；第二次为以传输技术为中心，网络的发展为核心动力，通过网络任何地方都可以方便地获得和发送信息。前两次浪潮极大地增加了数字形式在信息活动中的应用，从而引发了第三次浪潮-存储技术浪潮6。现代存储系统有着高可用、高可靠、动态扩展、开放、易维护等众多方面的需求，但目前使用的存储系统还远远不能满足，这作为一项挑战，刺激了各种存储新技术的发展。学术和工业界都投入了空前的人力物力，从设备与器件、通道与接口、存储机理和存储软件等方面进行了大量的研究。1.从器件与设备看，闪存技术较之前有了飞速发展，成为移动存储的主流。目前基于FLASH技术的U盘、SD卡、固态硬盘随处可见，容量可达上百GB更大。较之传统的机械硬盘，闪存技术更可靠、抗振动能力强、噪声小、体积小及功耗低。逐渐成为存储系统尤其是恶劣环境下的存储系统的重要存储介质7。2.从接口与通道看，最近几年取得了很大的进步。串、并行接口曾经是主流，两种传统并行接口SCSI和ATA的速率已分别达到133MB/s和160MB/s，后来推出了USB 2.0、3.0接口技术。但这些仍无法满足网络和企业存储的多种需求。网络的飞速发展、在线数据存储的快速增长、高速数据和图像采集、远程医疗等导致了对存储容量与接口速度的极大需求。目前以网络存储为中心的存储技术得到了进一步的发展，各种存储设备和技术正趋于融合。网络传输主要思想是所有的连接都采用以太网和IP协议，它使数据块在以太网上传输，网络存储技术沿着几个主要的方向发展：DAS、NAS、SAN、IP-SAN。3.存储机理看，提高存储密度是存储技术界永恒的主题。加钌夹层介质、GMR磁头、超低浮动技术和PRML信号处理技术为提高密度做出了很大贡献。硬盘的密度增长从每年60%提高到每年超过1倍的增长。现在，商品化硬盘的密度已达到每平方英寸20Gb，实验室则已达到100Gb。4.从存储软件看上述的各种技术很多功能都是它完成的。存储管理软件主要包括存储资源管理、数据迁移和数据备份、集群系统、远程备份、灾难恢复以及存储虚拟化等。存储管理提高了系统的可用性、资源的利用率和工作效率8。1.3 课题主要研究内容本文设计了一种基于以太网接口芯片的存储装置，主要利用Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144I8N控制以太网芯片W5100，通过RJ45接口接收与发送计算机的数据。接收的数据存入存储模块。全论文分为六章，各个章节中的内容如下：第一章：介绍了论文的研究背景和意义，同时分析了本课题目前国内外的研究现状，并提出了本论文的基本架构。第二章：介绍了系统所需的理论知识，包括：以太网技术及相关协议的理论基础。第三章：分别从硬件和软件两个方面介绍了系统的方案选型，。第四章：硬件设计与实现：包括FPGA、W5100的外围电路和相互的连接电路、电源电路、JTAG接口电路、存储电路。第五章：软件设计与实现：采用QuartusII进行模块化编程，论述了各模块的功能及实现；介绍了上位机软件的实现。第六章：对调试结果进行分析。第七章：给出了全文的总结，概括了本文完成的工作，说明了进一步需要研究和改进的内容。2 以太网传输基本理论2.1 TCP/IP参考模型与0SI参考模型1. 0SI参考模型国际标准化组织ISO试图提出一个使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型0SI。后来推出了著名的ISO 7498国际标准，将传输协议在数据通信中的任务分解为七层体系结构，每一层都将其下面的层遮起来。这七层自下向上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。但是OSI并没有提供一个可以实现的方法，只是描述了一些概念。在OSI的范围内，只有各种协议是可以实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致才能互连。并且这些协议实现起来太过复杂，而且运行效率低。也就是说，OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。按此标准生产的设备制定周期太长，无法及时进入市场9。2. TCP/IP参考模型TCP/IP即Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议，是七十年代中期美国国防部专为ARPANET广域网制定的协议标准，拥有完整而系统的协议标准因而是当今计算机网络最成熟、应用最广泛的互连技术，已经成为事实上的国际标准。与OSI类似，它也采用分层体系结构，但采用了4层的层级结构，每一层提供特定的功能，层与层相互独立。这4层分别为：应用层：负责支持网络应用程序，提供许多常用协议如SMTP、FTP、Telnet、SNMP等。传输层：提供了节点间的数据传送，应用程序之间的通信服务。主要功能是数据确认、数据格式化和丢失重传等。包含协议如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP），这两种协议给数据包加入传输数据把它传输到下一层，并且确定数据已被送。互连网络层：负责基本的数据封包传送功能，处理分组在网络中的活动，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如路由的选择。网络层协议包括 IP 协议（网际协议），ICMP 协议（Internet控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。网络接口层（主机-网络层）：该层在内部划分为两层，相当于OSI模型的数据链路层和物理层。前者的作用是规定如何将数据包转化成网络硬件可传输的形式，并从一个网络接口传递到下一个网络接口，提供传递两端的源物理地址和目的物理地址，并能识别网络拓扑，控制数据流实现面向连接的或面向非连接的传输。物理层用于定义过程中使用何种类型的传输介质、连接器、信号等10。 3OSI参考模型与TCP/IP模型的对应关系图2.1 OSI参考模型与TCP/IP模型的对应关系具体而言，两种模型的不同如下：（1）分层不同。OSI是以通信协议必要功能为中心进行模型化的；而TCP/IP模型是以安装到计算机如何编程最好为中心进行模型化。（2）通信方式不同。OSI有明显的通信系统特征即：网络层支持无连接、面向连接的通信，但在传输层仅面向连接；TCP/IP在网络层仅支持无连接，而在传输层支持两种模式。这种选择对简单的请求应答协议是及其重要的。（3）应用范围不同。OSI其体系复杂且设计过于理想，不方便计算机软件实现应用；TCP/IP在windows、unix平台中都运行稳定，并提供了简单的接口，得到广泛应用11。4.数据封装及数据传输方式当应用程序传送数据时，数据被送入协议栈，每一层对收到的数据添加包头，写有首部信息，这个过程就是数据封装。直到最后一层的数据链路子层，信息被分成两部分加到首部和尾部。物理层并不添加头部信息，而是将数据包转为一串比特流送入网络。首部信息包含源地址，目的地址，端口号等重要信息，接收方可根据这些信息判断数据来源，确定接收还是丢弃。如果接收则层层解包，得到最后需要的数据。该过程如图2.2所示。其中TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段，IP传给网络层的数据单元称作IP数据报，通过以太网传输的比特流称作帧12。 图2.2 数据封装及数据传输方式2.2 CSMA/CD机制带有冲突检测的载波监听多路访问，即CSMA/CD机制是以太网通常采用的访问方法。它的原理是利用节点上的接收器，从信道上接收信号来判断信道的状态。每个节点在发送帧之前检查一下信道上是否有载波或是否忙，若忙就暂不发送，否则就发送。这样就减少了发生冲突的概率。为了进行监听，要求总线上传输的信号每一位必须有一个电平跳变，以便检测。若信道电平发生变化，则说明被其他节点占用；若未发生变化，则表明信道处于空闲状态。仅仅这样还不能解决信息碰撞的问题，还要进行边发送边监听，即一旦发现信息碰撞，则发送停止，双方退让，过一个随机的时间间隔再进行发送13。2.3通信介质在网络硬件中，不可忽视的是网络传输介质，通常称为网线。目前比较常见的网线有光纤、同轴线缆和双绞线。光纤是新一代传输介质，安全性、可靠性、网络性能都有很大提高。它的抗电磁干扰性好、保密性强、速度快、容量大，但价格也较贵，小型场合很少使用。同轴电缆是由一层层的绝缘线包裹着中央铜导体的电缆线，抗干扰能力好，传输数据稳定，价格便宜，然而单条电缆的损坏可能导致整个网络瘫痪且维护难。 双绞线是一种柔性的通信电缆，包含着成对的绝缘铜线，虽然与其他传输介质相比，在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定的限制，但价格较为低廉，且其不良限制在一般快速以太网中影响甚微，所以目前仍是企业局域网中首选的传输介质。双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)两种。STP速率较低，但抗干扰性强，所以价格贵，相比之下，UTP价格比较低廉。根据传输速率不同可分为3类、5类及超5类。2.4 RJ45接口和数据泵RJ45口型网线插头又称水晶头，共有八芯做成，广泛应用于局域网和ADSL宽带上网用户的网络设备间网线的连接。在具体应用时，RJ45型插头和网线有两种连接方法（线序），分别称作 T568A 线序和 T568B 线序,如图2.3所示：图2.3 T568A，T568B线序T568A 线序从视觉效果看依次为：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；T568B线序为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。根据网线两端连接网络设备的不同，网线又分为直通线（平行线）和交叉线两种。 直通线（平行线）就是按前面介绍的T568A标准或T568B标准制作的网线。 而交叉线的线序在直通线的基础上做了一点改变：就是在线缆的一端把1和3对调，2和6对调。即交叉线的一端保持原样（直通线序）不变，在另一端把1和3对调，2和6对调。在实践中，一般可以这么理解：同种类型设备之间使用交叉线连接，如两台PC机、计算机与路由器、交换机与交换机等；不同类型设备之间使用直通线连接，如路由器和交换机、PC和交换机等。网络变压器是PCI网卡上都具备的设备，也被叫做网络隔离变压器或数据泵。它所起的作用主要有两个：(1) 把PHY送出的差分信号用差模耦合线圈进行耦合滤波以增强信号。 (2) 隔离网线连接不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。除此之外，网络变压器还能对设备起到一定的防雷保护作用。2.5本章小结本章主要通过介绍以太网技术、体系结构、CSMA/CD机制，OSI参考模型与TCP/IP参考模型的基本构成和两者的对比以及以太网传输的介质和接口，明确了网络通信的理论支持。3 系统方案设计3.1 硬件方案3.1.1 主控芯片的选择主控芯片的选择有很多，比如单片机、DSP、ASIC 、FPGA等。(1) 以单片机为控制核心是工程中经常应用的方法。单片机种类多，功能全，设计简单14。单片机的主频一般都不高且指令周期繁琐，即从存储器中读取指令，对该指令进行译码，按指令进行相应操作。这样其处理速度相对于以太网的传输速率无疑是一种巨大牵制。同时随着程序量的增加可能会出现“程序跑飞”和“复位”现象。所以用单片机实现数据的实时传输不易实现。 (2) DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器芯片，有自己完整的指令系统，内部包含乘法器、加法器等运算功能模块，运算速度快，高端的DSP内核频率可达上吉赫兹，广泛应用于音频、视频、图像等信号处理中15。但是DSP在工作时，仍然要经过繁琐的指令周期，按顺序取指，较适用于复杂的算法，但是在控制方面也没有突出的优势(3) ASIC（Application Specific Integrated Circuits）是专门为某个特定功能而开发出来的芯片，速度、功耗、稳定性都比较好16。但其高昂的设计成本和流片费用显然不容易承受。(4) FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，是一种半定制ASIC，优点是开发周期短，系统简单，高集成度、体积小、高速、通用性好。内部丰富的触发器及逻辑资源为实现各种组合和时序逻辑电路提供了保障。FPGA的内部功能模块可以设计为并行执行，相互间互不干扰，这就大大加速了算法的实现。此外FPGA的功耗比较低，可以用在对功耗要求高的场合14。经过以上分析，用FPGA是最佳的方案。在设计时采用的是Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5T144I8N，集成开发环境是Quartus II。Cyclone II是Altera公司推出的新一代低成本系列FPGA器件。片内的逻辑单元数最多可达到68416个，具有 622个I/O接口及高达1.1M的存储空间。Cyclone II 系列内带乘法器用于完成高速乘法操作，内部资源以行、列的方式呈二维分布，主要包括嵌入式M4K存储器、逻辑阵列块LAB以及嵌入式乘法器等18。内部资源分布如图3.1所示。图3.1 资源分布l 逻辑阵列：Cyclone II器件的逻辑阵列由若干个LAB组成，LAB按行、列顺序排列， 每个LAB又包含16个逻辑单元以其他资源。其中逻辑单元主要由以下部分组成：一条进位链、一条寄存器级连链、一个4输入查找表和一个可编程的寄存器。l 内部连接通路：FPGA内部存在各种连接通路，用于连接器件内部的不同模块，比如逻辑单元之间、逻辑单元同片内存储器之间等。l 时钟资源：Cyclone II器件提供一个全局时钟网络和最多4个锁相环供时钟频率综合和移相等常规操作。时钟网络除了为片内所有资源提供时钟，如嵌入式存储模块和嵌入式乘法器外，还可提供外部时钟输出。l 嵌入式存储器：内部嵌入式存储器以M4K存储器块的形式存在并贯穿整个器件，每个存储器块容量为4Kbit，加上奇偶校验位后总容量为4608bit。M4K 存储器块在相邻两列LAB之间纵向排列。l 输入/输出引脚： Cyclone II器件可以和外部进行高速数据传输关键技术在于使用了专用的I/O特性。每一个I/O由一个双向缓冲器和三个寄存器（输入、输出及输出使能）构成，I/O引脚支持各种单端和差分I/O接口标准19。3.1.2 以太网芯片的选择以太网接口解决方案中传统的方法是采用主控制器连接物理层接口芯片。主控器负责以太网通信协议的编写。网络协议一般较大，编写繁琐的程序会耗费大量时间调试且写入软件后稳定性不够，不利于系统的稳定运行与快速开发，因此很难满足频繁更新的要求。一种解决方式就是将网络协议的处理分成一个由特定处理器执行的控制部分和一个硬件线路部分，让应用程序与资料的输入/ 输出分别执行于不同的硬件。这样可以缩短开发周期，增加稳定性并有效减小CPU负担 20。Wiznet 公司开发了具有内部硬件协议栈的网络接口芯片W5100。这是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10M/100M以太网控制器，主要应用于高稳定、高集成、高性能和低成本的系统中。W5100与IEEE802.3 10BASE-T和802.3u100BASE-TX兼容，内部集成了全硬件的TCP/IP 协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)；还有16KB存储器用于数据传输。最大有效通信速率可达25 Mbps。使用时可以实现没有操作系统的网络连接，不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。这样可以减小硬件接口设计和网络编程的工作量，并且可以实现可靠稳定运行的远程数据通信系统。其特点为：l 支持自动通信握手；l 支持自动MDI/MDIX，自动校正信号极性；l 支持ADSL 连接（支持PPPoE 协议中的PAP/CHAP 认证模式）；l 支持4个独立端口同时运行；l 不支持IP 的分片处理；l 3.3V工作电压，I/O 口可承受5V电压；l 80脚LQFP 小型封装；l 支持SPI 接口(SPI 模式0、3)；l 多功能LED信号输出（TX、RX、全双工/半双工、地址冲突、连接、速度）；W5100的内部构架如图3.2所示：图3.2 W5100的内部构架3.1.3存储方案选择本装置的存储功能是一个重要环节，考虑到数据的大量存储和类别区分性，在此采用FLASH和U盘结合存储的方法。闪速存储器由于其非易失性、容量大、速度快、功耗低等特点, 已广泛应用于各个领域22，本设计采用三星公司的NAND结构FLASH，K9F1G08UOM, 它是一类性价比很高的大容量存储器,特点是数据线和地址线分时复用，这种结构既减少了管脚数, 又降低了系统接口连接的复杂性。USB控制芯片选用沁恒公司的CH376。它是USB总线接口及文件管理控制芯片，该芯片支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE方式。一般来说，在FPGA环境下开发U盘的读写系统，需要编写驱动程序，会涉及较多的协议，从底层到上层必须实现USB的控制传输、USB批量传输SCSIUFIRBC命令传输及 FAT文件系统等功能。但是CH376芯片内部集成了USB通信协议的固件，并提供PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、USB通信协议的固件及U盘文件级子程序库23，FPGA可以通过CH376读写U盘而不需要详细了解USB通信协议，简化了开发流程。其特点为：l 支持1.5Mbps低速和12Mbps全速USB通讯，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。l 支持USB设备的控制传输、批量传输、中断传输。l 自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。l 内置USB控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。l 提供文件管理功能：打开、新建或删除文件、枚举和搜索文件、创建子目录、支持长文件名。l 提供文件读写功能：以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写。l 提供磁盘管理功能：初始化磁盘、查询物理容量、查询剩余空间、物理扇区读写。l 提供2MB/24MHz 速度的SPI设备接口及最高3Mbps速度的异步串口。l 支持5V电源电压和3.3V电源电压以及3V电源电压，支持低功耗模式。3.1.4 RJ45接口和数据泵选择在此计设计中，该装置与计算机属于同种类型的设备，因此不能使用PC机上网通常使用的直通网线，而要使用交叉线互连。RJ45接口采用13F-60FGYDPNW2NL，即内部集成数据泵的网口，其内部变压器的变比为1:1。这样可以减少硬件平台的面积，使连接更方便，并且简化了电路板上的布线，减少电磁干扰。下图为13F-60FGYDPNW2NL的内部结构。图3.3 13F-60FGYDPNW2NL的内部结构3.2 软件设计方案3.2.1 协议选择W5100不仅集成了协议栈，还支持TCP、UDP、ARP、ICMP、IGMP和PPPoE 等协议。标准的 TCP/IP 协议的传输层包含 TCP 和 UDP 两种协议。首先来看TCP协议的帧格式和UDP协议的帧格式：图3.4 TCP协议的帧格式图3.5 UDP协议的帧格式TCP 协议和 UDP 协议在传输层中的作用都是连接应用层和网络层之间的数据通讯但TCP协议相对于UDP协议要复杂得多。TCP协议向应用层提供一种面向连接的、可靠的数据流服务。传输时必须先在两端建立连接，即“三次握手”。TCP 协议有超时重发机制，发送每段数据的同时都会启动定时器等待对方确认，如果收不到确认，将重发这段数据。另外TCP协议会对收到的数据段重新排序将数据正确排序后再交给应用层。UDP协议只提供不可靠性的数据传输服务，只负责将应用层的数据打包后交给网络层。也就是说 UDP协议不存在先确立连接后传输的机制，不保证它们是否能达到目的地。大多基于 UDP 协议的应用程序都把数据报最大长度限制得很小，以此避免传输过程中出现分片现象，同时也能减轻网络和 CPU的负担。从表3.1显然看出，TCP协议的功能和可靠性要优于UDP。表3.1 TCP与UDP的比较TCPUDP通讯前建立连接是否实现机制复杂简单效率低高传输方式分组尽量不分组报文分组顺序按顺序到达目的地，需要得到接收者的确认不保证顺序，不要接收者的回执可靠性三次握手、超时重发、滑动窗口不提供之所以在本系统中采用UDP协议而不采用TCP协议是因为：相对于 UDP协议来说，TCP协议强大的功能和高可靠性是以增加系统开销为代价，使传输率降低。UDP本身虽无连接能力且不可靠，但对传输率没有阻碍，这会出现 UDP协议传输效率比 TCP高出许多的情况。另外，由于UDP没有点对点接入要求，所以可以实现广播和多播传输。本系统的应用背景对于数据传输速度要求较高，所以首先应该考虑到的是双向数据传输的速度和效率，充分发挥硬件性能。存储器跟主机属于同一内部局域网，网络环境良好，负荷小，数据丢失的可能性很小，易实现，占用资源小。3.2.2 FPGA软件开发方法在FPGA设计项目开始之前，需要根据任务要求，如系统要实现的功能和复杂程度、工作速度和器件本身的资源、空间、布线等方面进行权衡，选择合适的设计手段和方法。1模块化设计方法本设计中FPGA程序部分采用模块化设计的思想，也就是依照设计目的利用层次化、结构化的设计方法将一个完整的电路系统分解为若干模块，再将模块分解为更小的单元模块，分别各自实现不同的功能，但模块之间又以一定的方式相互作用。其优点在于：每个子模块都能够灵活使用综合和实现工具独立进行优化，从而达到更好的优化结果；调试、更改某个子模块时，不会影响其他模块的实现结果，层次结构清晰，保证了整个设计的稳定性与可靠性25。设计中首先将每个模块分别进行HDL语言设计、综合，然后得到仿真结果，进行分析确认结果正确后，将所有模块有机地组织起来完成整个系统的设计。设计中要注意模块间的连接既要使模块连接紧密又要尽量简单明了。如图3.6是系统顶层模块划分框图。 图3.6 系统顶层模块划分框图2FPGA的软件设计流程在合理选择了器件类型和设计方法以后，制定正确的设计流程可以更好地完成设计目的。利用FPGA进行设计开发步骤繁多，并且紧密联系，前后的顺序不能倒置。典型FPGA的软件开