軟硬件配置方案設計

很多時候我們需要將軟硬件完美結合在一起才能達到目標要求，下面就是小編為您收集整理的軟硬件配置方案設計的相關文章，希望可以幫到您，如果你覺得不錯的話可以分享給更多小夥伴哦！

隨着現代網絡技術的發展，嵌放式系統如單片機、DSP等系統對接入網絡的需求日益增加，例如具有遠程抄表功能的電錶系統、楞以進行遠程控制的信息電系統等。本文采用TI公司的TMS320VC33DSP芯片設計與Realtek公司的RTL8019網卡的硬件接口電路，並在DSP中用軟件實現TCP/IP協議，使DSP芯片具備上網功能，從而可以用計算機通過網卡與DSP電路板進行大量數據交換並對其進行控制。

1、硬件設計

DSP與網卡的硬件接口電路圖如圖1所示。

DSP的數據總線低16位接ISA網卡的16位數據線，ISA網卡的IOCS16線接高電平，設置網卡為16位的模式。

網卡共有20根地址線。將A7～A8、A10～A19接地，A0～A6和A9分別接DSP的A0～A7，用到的網卡地址為0240H～025FH，映射到DSP的Page3空間，地址映射為C000C0H～C000DFH。

DSP的Reset信號用於復位網卡，由於DSP的Reset信號低有效，而網卡的Reset信號高有效，故中間應接非門。

DSP的Page3和R/W信號用於選能網卡的讀寫信號IOR、IOW，實現的邏輯關係如圖2所示。

IORQ是網卡的中斷9，通過非門後接DSP的INT1引腳。

RTL8019網卡有三種工作方式：

第一種為跳線方式，網卡的I/O和中斷由跳線決定；

第二種為即插即用方式，由軟件進行自動配置plugandplay；

第三種為免跳線方式，網卡的I/O和中斷由外接的93C46裏的內容決定。

計算機上一是即插即用方式，為了降低軟件編程的複雜度，將網卡設置為跳線方式。

上述所有的譯碼邏輯都在EPM7129中實現。

74ALVC16425是總線驅動芯片，可實現3.3V到5V的電平轉換。由於TMS320VC33和EPM7128是3.3V的器件，而ISA總線是5V的，所以信號線不能直接連接，需要通過74ALVC164245進行電平轉換和隔離。

2、軟件設計

2.1網卡硬件驅動程序的設計

網卡驅動程序主要包括以下幾部分：

（1）NIC的初始化

NIC是網絡接口控制芯片，它負責網絡上數據的接收和發送。為了能夠使NIC啟動並處於準備接收或準備發送數據的狀態，必須對相關的寄存器進行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCP、RCR等。

（2）中斷服務程序

中斷服務程序一般完成兩項任務：一是設置中斷標誌，以使相關程序能以此發現發生了中斷；二取得中斷狀態寄存器的值，並將引起中斷的具體原因提交給相應的程序，這一過程也是通過設置中斷原因標誌完成的。需要注意的，中斷服務程序開始的時候要保護中斷現場，待程序處理完成後要恢復中斷現場；中斷服務程序應儘可能短小，以便在儘可能短的時間內執行完成，因此需要將一些不民要的工作交給其它程序來完成。

（3）幀發送程序

在網絡中，幀傳輸的過程是：發送方將待發送的數據按幀格式要求封裝成幀，然後通過網卡將幀發送到網絡的傳輸線上；接收方根據接收到的幀的目的地址研究是否將該幀提交給上層應用程序。幀的發送是指將待發送的數據以幀的形式發送到網絡傳輸線上，因此，幀的發送過程應該包括以下幾個步驟：

①裝幀；

②將幀送入NIC的發送緩衝區；

③初始化發送控制寄存器；

④啟動NI

C將該幀發送到網絡傳輸線上。

（4）幀接收程序

幀接收是指將網絡上的數據幀接收並緩存於網卡的接收緩衝環中，然後由主機程序將緩存於接收緩衝環的幀讀走並存入內存中以備程序使用。從中可以看出，幀的接收過程分成兩卡；

①第一步由NIC通過本地DMA將幀存入接收緩衝環；

②第二卡是通過遠程DMA並在主機的配合下將接收緩衝環中的幀讀入內存。

2.2TCP/IP協議的實現

2.2.1DSP中與PC機中實現TCP/IP協議不同

TCP/IP協議最先是在UNIX系統中實現的，後來在LINUX、DOS和WINDOWS系統中也實現了TCP/IP。但是，在UNIX上實現的TCP/IP協議的源代碼並不能直接移植到DSP上來，這是因為PC機和DSP存在着巨大的差異。

PC機的運算速度非常快，一般都有一個多任務的操作系統，可以多任務並行執行，通過硬中斷與中斷、消息隊列和各種插口實現ATCP/IP各協議層之間的通信和整個網絡的通信。而DSP運行速度相對較慢，缺乏多任務操作系統的平台，只能通過順序執行加硬件中斷的方式來實現，並且因其還要同時執行數據採集、串口中斷等任務，所以中斷程序應儘量短，只完成設置各種狀態的標誌位，而將相對較慢的網絡數據包的處理放在主程序中執行，以減少各種任務之間的衝突。

PC機的內存非常大，現在一般都可達到32～128M的存儲容量，可以動態地分配和釋放內存，很容易實現存儲器緩存mbuf、網絡控制塊ncb等鏈狀結構，且可隨意增刪；同時能維護多條網絡連接，由於計算機處理速度快，幾乎不用考慮緩衝區溢出的問題。而DSP內部RAM一般只有十幾K，加上外部擴展的RAM也只能達到幾十K的容量，一個最大的以太網數據包就有1.5K左右，如果也按PC機的內存管理方式和數據結構，使用mbuf鏈，RAM肯定不夠用，因此只能在RAM中分配一個固定的1514字節的區段來存放接收到的以太網數據包，接收一包處理一包。

PC機中TCP/IP協議都是分層次實現的，相互之間都是通過參數傳遞進行聯繫，這樣有利於提高程序的模塊化和獨立性。而在DSP中，由於參數傳遞會佔用過多的程序空間，且降低DSP的執行速度，所以應儘量減少參數傳遞，轉而使用全局變量和外部變量等來達到值的傳遞，因此各程序間的依賴程度大，往往會共享某一些變量和數據。

PC機上實現了比較完整的TCP/IP協議。而在DSP中，由於運算速度和內存的限制，不可能支持所有的協議，一般只實現需要的部分，不需要的協議一概都不支持；而且即使需要的協議也不用像在PC機上實現那麼複雜，可以根據硬件的具體情況和實現的需求進行必要的簡化。

2.2.2TCP/IP協議的具體實現

TCP/IP協議是一個協議簇，包含了很多協議，在DSP上實現的所有協議如圖3所示，通常可分為四層（不包括物理層）。

根據DSP的結構特點和所需要實現的功能，在DSP中實現了ARP（地址解析協議）、IP（網際協議）、ICMP（Internet控制報文協議）、UDP（用户數據報協議）和TCP（傳輸控制協議），並對它們進行了簡化。

2.2.2TCP/IP協議的具體實現

TCP/IP協議是一個協議簇，包含了很多協議，在DSP上實現的所有協議如圖3所示，通常可分為四層（不包括物理層）。

根據DSP的結構特點和所需要實現的功能，在DSP中實現了ARP（地址解析協議）、IP（網絡協議）、ICMP（Internet控制報文協議）、UDP（用户數據報協議）和TCP（傳輸控制協議），並對它們進行了簡化。

在鏈路層中實現了ARP。每種網絡都有自己的尋址機制，以太網通過以太網地址即通常所説的網卡硬件地址MAX進行尋址的，每個網卡出廠時都有一個唯一的MAC地址。IP地址則僅僅是對於TCP/IP簇有意義的地址，是一種虛擬地址。當賦予IP地址的IP包要在以太網中傳播時，必須將IP地址轉化為以太網地址才能進行正確的傳輸。ARP協議就是將32位的IP地址動態地映射為48位的以太網地址，從而保證網絡的正確傳輸。ARP協議由兩個文件arpin.c和arpout.c實現。arpin.c負責接收網絡上廣播的arp包，判斷arp包的類型是網絡上其它機子的請求包還是返回本機的響應包，

判斷其合法性並進行相應的處理；arpout.c負責主機向網絡發送數據報時發送arp請求包以及被arpin.c調用響應收到的arp請求包。

在網絡層中實現了IP和ICMP。IP協議是TCP/IP協議簇中最核心的協議，它提供無連接的數據報傳送服務，所有上層協議都要以IP數據包格式傳輸。IP協議由兩個文件ipin.c和ipout.c實現。Ipin.c負責接收IP數據包，收到IP包後，首先判斷其版本號、數據長度、目的地址、檢驗和是否正確，再根據ＩＰ首部的協議類型字段的值交給相應的上層協議處理；ｉｐｏｕｔ．ｃ負責發送ＩＰ數據包，接收上層協議傳遞下來的數據，加上２０字節的ＩＰ首部，正確設置源ＩＰ地址和目的ＩＰ地址、協議類型，計算檢驗和，交給下面的鏈路層發送。ＰＣ機上的ＩＰ數據包，當它的長度超過網絡的ＭＴＵ時，允許對它分段；在ＤＳＰ中，則不支持ＩＰ數據包分段，也不支持ＩＰ選項字段。ＩＣＭＰ協議負責傳遞差錯報文以及其它需要注意的信息，且由ＩＣＭＰ首部８位的類型字段和８位的代碼字段決定信息的種類。在ＤＳＰ中只實現了對回顯請求（類型代碼為８０）報文的處理，從ＩＰ層收到ＩＣＭＰ包後，判斷其類型代碼段是否為８０。如果是，將這兩個字段設置為００（回顯應答），計算檢驗和，再交給ＩＰ層發送；如果不是，則予以丟棄。從而實現了對ｐｉｎｇ功能的支持。

本文通過ＤＳＰ與網卡的硬件接口的設計及編程，使ＤＳＰ實現了基於以太網的ＴＣＰ／ＩＰ通信，從而使ＤＳＰ可以通過網線進行聯網，並可以實時地與計算機進行通信，交換大量的數據和控制信息。本文所介紹的技術已經在作者參加的國家"９７３"項目"複雜自然環境時空定量信息的獲取與融合處理的理論與應?quot;的硬件設計中得到應用，並運行良好。

傳統的嵌入式系統中，設計週期、硬件和軟件的開發是分開進行的，並在硬件完成後才將系統集成在一起，很多情況下，硬件完成後才開始進行實時軟件和整體調試。軟硬件聯合仿真是一種在物理原型可用前，能儘早開始調試程序的技術。

軟硬件聯合仿真有可能使軟件設計工程師在設計早期着手調試，而採用傳統的方法，設計工程師直到硬件設計完成才能進行除錯處理。有些軟件可在沒有硬件支持的情況下完成任務的編碼，如不涉及到硬件的算法。與硬件相互作用的編碼在獲得硬件之前編寫，但只有在硬件上運行後，才能真正對編碼進行調試。通過採用軟硬件聯合仿真技術，可在設計早期開始這一設計調試過程。由於軟件的開發通常在系統開發的後段完成，在設計週期中較早的開始調試有可能將使這一項目提早完成，該技術會降低首次將硬件和軟件連接在一起時出現意外而致使項目延期完成所造成的風險。

在取得物理原型前，採用軟硬件聯合仿真技術對硬件和軟件之間的接口進行驗證，將使你不會花太多的時間在後期系統調試上。當你確實拿到物理原型開始在上面跑軟件的時候，你會發現經過測試的軟件部分將會正常工作，這會節省項目後期的大量時間及努力。

軟硬件聯合仿真系統由一個硬件執行環境和一個軟件執行環境組成，通常軟件環境和硬件環境都有自己的除錯和控制界面，軟件通過一系列由處理器啟動的總線週期與硬件的交互作用。本文以一個MiniWeb卡的開發介紹一種軟硬件聯合仿真系統。

該方案的核心是採用一個51單片機仿真引擎GoldBullISS51（以下簡稱ISS51），ISS51是51單片機開發環境KeiluVision2的一個插件，ISS51具有連接Keil和硬件仿真環境Modelsim的接口，可以實現軟硬件同步仿真。在該系統中，Keil作為軟件調試界面，Modelsim作為硬件仿真和調試界面，ISS51負責軟件執行、監控軟件斷點、單步執行、內存和寄存器數據返回給Keil、CPU總線時序產生和捕獲、內部功能模塊（如定時器，串口）的運行等功能。

　　MiniWeb卡介紹

MiniWeb卡是一個運行在單片機上的Web服務器，提供網口連接，有大容量文件系統，提供TFTP和HTTP服務。儘管軟件系統比較複雜，但優化編譯後，執行代碼還不足25K，為後續升級留下了足夠空間。

51CPU採用SST89系列，這種CPU具有ISP功能，可以通過RS232串口，直接將目標碼下載到CPU。

DMA控制邏輯是一個可編程邏輯器件，採用的是ALTERA的CPLDEPM240，主要功能是實現外圍器件之間的DMA傳遞。因為51CPU進行IO訪問是很低效的，需要24個時鐘週期才能進行一

次IO訪問，在外圍設備之間轉移數據則需要更多的時鐘週期，使用DMA控制邏輯可以達到3個時鐘週期就能轉移一個字節。本系統中處理多種網絡協議，需要大量報文收發和文件系統訪問，採用DMA可以極大地提高51單片機的數據處理速度。DMA通道主要有MAC芯片與RAM之間的數據塊轉移，SMARTMEDIA和RAM之間的數據塊轉移。

網卡芯片採用的是AX88796，主要的優點是可以和51CPU方便地接口；支持100M以太網，速度高；有較大的接收報文緩存，能夠平滑網絡流量，減少因51CPU處理速度慢導致的報文丟棄和重發。

SMARTMEDIA是一個移動存儲卡，主要用於存儲文件，MiniWeb卡支持8M到256M的SMD卡。

文件系統是MiniWeb卡的新開發模塊，文件系統的測試主要通過TFTP來進行，為此MiniWeb卡上的TFTP服務程序進行了特殊設計，支持格式化SMARTMEDIA，獲取剩餘空間，獲取文件名列表，上傳、下載和刪除文件。

　　軟硬件聯合仿真的必要性：

MiniWeb卡軟件模塊多，軟件開發風險較大。軟件對硬件的依賴較強，FLASH存儲器的訪問驅動、網卡驅動、DMA驅動，需要軟硬件協同調試。

文件系統的開發，在仿真環境下更容易和快捷。比如在仿真結束時，可以將SMARTMEDIA仿真模型中的數據倒換到磁盤文件中，在仿真開始時，將磁盤文件中的數據加載到SMARTMEDIA仿真模型中，在定位文件系統的問題時，這一個功能很有用。

採用軟硬件聯合仿真，便於系統前期設計。51單片機的外部RAM訪問效率較低，內存拷貝、外部器件之間的數據塊轉移很浪費時間。將大量數據的拷貝操作或數據塊校驗、比較操作在CPLD內實現，可以大大改進51單片機處理數據的能力。通過軟硬件聯合仿真，可以評估CPLD處理數據對性能的改進。

　　MiniWeb卡軟硬件聯合仿真系統：

軟硬件聯合仿真主要解決的問題是系統功能設計與驗證，它不解決電源、濾波電容、總線電平兼容問題。

做系統仿真，首先要對硬件系統建模。我們關注的是系統設計的正確性和可執行性。

系統中的串口只是用來支持ISP下載軟件，軟件部分沒有對串口做任何操作，所以系統仿真可以不必考慮。

網卡芯片AX88796，廠商沒有提供仿真模型。它與CPU的'接口符合ISA接口標準，軟件對AX88796的操作是根據NE2000標準網卡芯片設計的，由此我們建立了一個網卡芯片的仿真模型。我們設計了一個MACBFM來仿真網卡芯片的ISA接口，NE2000定義的寄存器在C模型中實現，MACBFM與NE2000寄存器C模型通過PLI接口交換數據。

SRAM仿真模型是很容易獲取的，很多器件生產商都提供Verilog仿真模型，但器件生產商提供的Verilog仿真模型都包含複雜的延時控制代碼，這會影響仿真速度。根據經驗，我們可以確保SRAM在單板設計中被正確應用，不會產生時序問題，所以我們可以採用一個簡化的SRAM仿真模型，這是我們自己設計的，有效代碼只有十幾行。

51CPUBFM負責單片機管腳時序的產生和捕獲。51CPUBFM是與ISS51緊密捆綁的，由ISS51安裝程序提供。

SMARTMEDIA是三星公司提供的仿真模型，我們使用的也是三星公司的同類型存儲卡。該模型可以用於驗證軟件操作SMARTMEDIA的正確性和DMAController的接口時序。

DMAController是MiniWeb卡硬件開發的一部分，將邏輯設計代碼應用於仿真，既能檢測邏輯設計的正確性，又能使整個仿真系統得以正常運轉。

　　虛擬網卡

做系統仿真，必須輸入來自真實世界的激勵，並將仿真系統的輸出傳遞到真實世界。即便是不能連接到真實世界，也應該提供模擬真實世界的輸入，並對仿真系統的輸出進行檢測和分析。

對於MiniWeb卡來説，它和真實環境是通過網口連接的。使用虛擬網卡技術，能夠將圖3中的MACCModel與虛擬網卡進行通訊。

對於運行在Windows系統上的應用程序來説，它並不知道網卡是虛擬的還是真實的，應用程序通過虛擬網卡收發數據，事實上是與仿真系統在進行網絡通信。

這樣就可以使用TFTP向MiniWeb卡仿真系統傳遞網頁文件，使用IE瀏覽MiniWeb卡仿真系統中的網頁，MiniWeb卡的所有功能都能夠被檢驗。

使用網絡臭探器Sniffer可以監控虛擬網卡的報文流，方便協議調試。

　　仿真加速技術

軟硬件聯合仿真，影響仿真速度的瓶頸在HDL代碼部分的仿真。如果不設法提高HDL代碼部分的仿真速度，軟件調試就非常低效。

提高硬件仿真速度的方法之一是軟件硬件仿真採用事件同步，只在CPU訪問IO時保持軟件和硬件是同步的。

仿真加速方法之二是硬件仿真系統時鐘休眠。對於MiniWeb卡來説，只

有DMAController是受時鐘控制的，軟件沒有操作DMAController的期間，DMAController的運作是毫無意義的，所以可以在非DMA操作期間，對時鐘進行休眠；ISS51在每次IO訪問時，給出與上次IO訪問的時間差，這個時間差經過處理可以作為時鐘休眠的時間段。如果ISS51連續進行IO訪問，就不會產生時鐘休眠了。DMAController工作於查詢方式，可以採用時鐘休眠技術，而不會導致仿真與真實結果的不一致。

方法之三是，縮短SMARTMEDIA仿真模型中的一些長延時的時間參數。因為在等待SMARTMEDIA進入就緒狀態時，CPU必須連續查詢IO，影響仿真速度。我們主要用於軟件功能驗證，這種修改也是可以接受的。

方法之四，在軟件設計上，謹慎使用外部中斷，因為一旦中斷啟動，ISS51需要在每個機器週期查詢是否有中斷信號，導致軟件仿真和硬件仿真在每個指令上都進行同步，影響仿真速度。如果一定要使用外部中斷，建議用C模型代替Verilog模型，這樣可不影響仿真速度；或者由用户根據外部模塊產生外部中斷的時機，使用ISS51的控制命令，在恰當時刻使能ISS51的中斷模塊。

在一個普通PC（CPU為AMD速龍1000，SDRM512M133），運行MiniWeb卡仿真系統，使用PING命令測試MiniWeb卡仿真系統的響應速度：

:bytes=32time=64msTTL=128

使用IE打開MiniWeb卡仿真系統中的網頁文件，感覺和撥號上網的速度差不太多。創建多個TFTP連接，同時向仿真系統傳遞或下載網頁文件，同時使用IE進行網頁瀏覽，都無響應中斷現象出現。

　　總結

使用軟硬件聯合仿真，MiniWeb卡不需要硬件就能進行全部功能的仿真，增強了系統設計成功的信心。軟硬件聯合仿真方便系統設計調整，可以在設計前期評估性能，方便軟件和硬件的debug，是一個值得推廣的技術。