基于NiosII软核的嵌入式网络通信电路设计

王勇等

【摘 要】越来越多的基于NiosII软核的嵌入式系统，采用以太网通信方式进行数据传递。ENC28J60是一种高集成度的以太网接口芯片，内置了10 Mbps以太网物理层器件、媒体访问控制器，以及SPI串行接口，十分适合嵌入式系统的网络通信。主要介绍了ENC28J60的内部构成、基于NiosII的网络通信电路的软硬件设计，以及电路调试过程。

【关键词】NiosII；网络通信；ENC28J60；嵌入式系统

0 引言

以太网接口具有兼容性好、传输速度高等优点，在计算机通信中使用广泛。基于Nios软核的嵌入式系统在航空航天、武器装备、工业生产等领域应用普遍。嵌入式系统与现有互联网通常采用以太网连接方式，因此采用FPGA技术，调用NiosII软核处理器，通过该处理器对通信芯片ENC28J60进行控制，实现嵌入式网络通信是必要的。

1 ENC28J60芯片功能及内部构成

ENC28J60是Microchip推出的一款集成有SPI串行接口的以太网控制器，由于它引脚数少、成本低、高效易用，所以常常用于嵌入式以太网解决方案中。ENC28J60只有28个引脚，其物理层和数据联络层的MAC子层符合IEEE 802.3规范，内部有DMA模块，可实现数据的快速吞吐。ENC28J60芯片内部由7部分模块构成：（1）SPI总线接口：用于实现ENC28J60和主控制器的通信，主要由移位寄存器，波特率发生器，数据缓冲区构成；（2）总线接口：连接控制寄存器和SPI电路，负责解析SPI接收的数据和命令；（3）控制寄存器：包括EIR、EIE、ECON1、ECON2等寄存器，通过对它们的设置，可以对ENC28J60的工作情况进行监视和控制；（4）RAM双口缓冲器：对数据包进行发送和接收。（5）判优器：对RAM缓冲器进行访问控制，对DMA、接受和发送请求应答；（6）MAC模块：介质访问控制，能够控制与物理层连接的物理介质；（7）PHY模块：作为物理层模块，能够对双绞线上的模拟信号进行编码/译码。

2 基于NiosII的硬件设计

系统硬件结构如图1所示，NiosII是一个可配置的通用32位嵌入式处理器，以软核形式实现，具有高度的可配置性和灵活性。NiosII软核处理器的构建如下：⑴新建quartus工程和原理图文件，点击运行SOPC builder，在弹出的窗口中新建一个CPU核；⑵建立SDRAM模块，在SOPC Builder下的SDRAM选项将数据宽度调整到16bit，因为设计使用的SDRAM芯片是16位的；⑶建立EPCS控制器，将flash下的EPCS Serial flash controller添加进软核；⑷添加JTAG UART，用于软件调试。上述过程完成后，一个基本的NiosII处理器就完成了构建。然后需要对软核处理器进行设置，完成后进行编译，编译成功后返回原理图编辑页面，调出NiosII处理器放置在设计界面上。

接下来为Nios处理器添加SPI外设接口和PLL模块：⑴双击新建的NiosII处理器元件进入SOPC Builder 界面，选择SPI接口模块；确定SPI时钟速率为10Mhz，数据宽度为8bit；构建两个PIO，一个作为SPI的CS口，一个作为中断口。⑵PLL为锁相环模块，它具有倍频的功能，因为内嵌CPU和SDRAM的运行时钟为100Mhz，而FPGA的板载时钟为50Mhz，所以需要添加PLL模块对板载时钟进行2倍频。

2 软件设计与调试结果

软件设计主要包括：（1）主程序编写：主要是对ENC28J60初始化程序和服务程序的调用，先定义一个数组，把6个字节的MAC地址添加进去，调用ENC28J60的初始化程序，再调用服务程序即可实现以太网通信。（2）ENC28J60初始化程序的编写：将CS片选信号置高电平，软件复位；对缓冲区初始化，主要是对接收和发送缓冲起始地址、末尾地址以及接收/发送指针指向地址的设置；对接收过滤器的设置，主要是将与设置的MAC地址不匹配的数据丢弃，校验使能，格式是否匹配的配置等；MAC初始化：接收使能，暂停接收、发送控制帧使能，使能流量控制，自动填充CRC配置，全双工的配置；最大帧设置，MAC地址的写入，以及对数据包的发送和读写操作。（3）写服务程序的编写：首先是对IP、ARP、UDP、TCP的初始化，并把目标MAC地址、IP地址、端口号进行输出在控制台上显示。IP层的初始化主要包括判断是否接收到有效的数据包，等待下一个数据包，对tcp、udp端口的设置并进行监听，这些函数都是从ip_arp_udp_tcp.c文件中调用的，而该文件程序可以根据参考LwIP协议进行编写。程序写好后则对工程进行整体编译，然后进行程序下载。

在进行功能调试过程中下载口选择JTAG，因为AS下载口是把程序固化到配置芯片中。将编译好的.sof文件通过JTAG口下载到FPGA芯片中，用网络交叉线连接PC机和所设计好的嵌入式系统，通过控制台可以看到，连接成功并显示目标主机的MAC地址、IP地址、TCP端口号。打开TCP&UDP测试工具软件，构建服务器，根据Nios II IDE控制台得到的目标主机IP地址和端口号，进行测试参数设置，完成后点击连接。发送多字节数据给目标主机，完成后根据嵌入式系统内部的软件服务程序，对接收到的数据进行识别和回发。实验结果证明，嵌入式系统的网络通信功能工作稳定。

3 结论

网络通信芯ENC28J60内部集成了SPI接口电路，可以进行高速、全双工、同步通信。同时，该芯片内部还集成了DMA 模块， 可以实现数据的快速吞吐。NiosII技术具有编程灵活，集成度高、可移植性强等特点，广泛应用于现代电子系统设计。把以太网和NiosII软核技术结合在一起，可以设计出通信速度高、性能稳定、外形小巧的网路通信电路，从而有效解决嵌入式系统的网络接入难题。

【参考文献】

[1]陈奎，吴爱国，等.用ENC28J60和FPGA设计通用以太网控制器[J].电子产品世界，2005（21）：94-95.

[2]张海平，刘伟，等.基于FPGA的SPI串行接口实时以太网实现[J].电子世界，2013（6）：141-142.

[责任编辑：曹明明]