1 引言

　　隨著以太網在工業控制領域得到大規模應用，嵌入式的工業以太網系統也越來越多的滲入到了工業控制領域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業以太網系統已經有大量文獻報道。
　　以上這些系統的開發平臺并不完全針對工業以太網的應用情況，因為芯片設計公司并不完全熟悉工業以太網的需要。因此在實際應用當中經常出現硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發系統往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。SOPC技術能解決這個難題。
2 SOPC技術

　　可編程片上系統（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統:首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

　　2.1 SOPC

　　SOPC 結合了SOC和FPGA各自的優點，實際上涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統（RTOS）為中心的軟件設計技術、以 PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統的調試設備，如:邏輯分析儀和數字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內實時調試工具;而在應對復雜設計方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現數字信號處理算法的強大輔助工具。

　　2.2 NIOS

　　NIOS 是Altera公司以RISC為基礎的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數據通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內的多種應用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內，實現完全可配置的嵌入式系統。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內部存儲器大小，其最高執行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價、便捷的開發系統。所有開發（包括設計、調試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發設備的成本。

 　　NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡化了電路板設計，又不存在接口速率的瓶頸問題，使整個系統在一塊芯片上就可以完成。

　　3 硬件設計

　　控制器的硬件設計流程就是為了定制合適的CPU和外設，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發者開發NIOS外設的速度，提高外設的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設。

　　嵌入式工業以太網控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調試程序的內部存儲器Boot ROM、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內部定時器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45、幾個發光管和數碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。


圖1 SOPC工業以太網控制器硬件結構

[$page]　　4 軟件設計

　　完成NIOS的硬件開發后，SOPC Builder可以幫助開發者生成相應的SDK（軟件開發包）。這是由于在硬件開發中的NIOS CPU及其外設構成的系統是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應是專有的，SOPC Builder能夠自動生成SDK。

　　在生成的SDK基礎之上，進入軟件開發流程，在這個部分，開發幾乎與通常的嵌入式系統的開發沒有區別，唯一的不同只在于，嵌入式系統是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。

　　控制器的操作系統考慮到性價比以及現場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開放代碼，其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統。

 　　uClinux 從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。

　　在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標準的Linux基礎上進行了適當的裁剪和優化，形成了一個高度優化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數的優點:穩定、良好的移植性、優秀的網絡功能、完備的對各種文件系統的支持、以及標準豐富的API等。在開發應用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。

 　　特別的為了應用到工業實時領域，本文進一步增強uClinux的實時性。

　　整個嵌入式工業以太網控制器具有以下特點:

　　控制器具有很高的靈活性。這是本文設計的以太