基于FPGA與W5100的網絡傳輸系統

【摘要】本文通過分析現場可編程門陣列（FPGA）在數據處理中的優勢和W5100固體網絡芯片的特點，采用FPGA與W5100相結合的方式，設計一種網絡傳輸系統，使得該系統具有高性能的邏輯功能、信號處理功能和網絡傳輸功能，同時具有硬件結構簡單、軟件開發簡便和可移植性強等特點。

【關鍵詞】FPGA；W5100；以太網；TCP/IP協議

1.引言

使用現場可編程門陣列（FPGA）器件設計數字電路，不僅可以簡化設計過程，而且可以降低整個系統的體積和成本，增加系統的可靠性。具有工作速度快、設計靈活和可靠性高等優勢，其應用領域從原來的通信擴展到消費電子、汽車電子、工業控制、測試測量等廣泛的領域，越來越多的系統廠商選擇用FPGA來實現最終產品。[1]

在遠程工業控制、遠程測試測量等應用領域中，通過FPGA測試和處理的數據往往經網絡高速傳輸給其他系統，一種方法是將數據由FPGA發送給由MCU與網絡接口芯片相結合組成的網絡傳輸模塊[2][3]，另一種方法采用FPGA的邏輯資源綜合網絡通信協議，再通過PHY芯片將數據傳輸到物理層[4]。前者使得設計復雜，而且網絡傳輸速率相對較低，后者需開發者耗用大量時間和精力開發FPGA軟件，并且占用大量FPGA片上邏輯資源，即便如此，可靠性仍需進一步提高。

W5100固體網絡芯片將TCP/IP協議棧、以太網的MAC和PHY三種功能集為一體。具有與MCU接口的并行總線接口，還增加了SPI串行總線接口。大大簡化了硬件電路設計，使系統在沒有操作系統的支持下，真正實現了單芯片接入以太網的目的[5]。

本文采用FPGA與W5100固體網絡芯片相結合的方式設計網絡傳輸系統，只需采用FPGA對W5100進行簡單的邏輯控制，就可實現網絡傳輸功能，該系統即具有FPGA并行高性能的特點，又能使FPGA實現網絡傳輸功能模塊的軟硬件設計簡化，調試方便，可靠性高。

圖1 W5100結構框圖

2.W5100網絡接口芯片

2.1 總體介紹

W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，內部集成有10/100以太網控制器，主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統中。內部集成了全硬件的、且經過多年市場驗證的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。硬件TCP/IP協議棧支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE，這些協議已經在很多領域經過了多年的驗證。其功能框圖及基本外圍連接如圖1所示。

2.2 工作原理

3.FPGA與W5100硬件接口設計

FPGA具有豐富的IO引腳資源，并且IO引腳通過配置可兼容1.8V、3.3V、5V等多種電平標準，W5100提供與微處理器的接口有3種：直接總線接口，間接總路線接口和SPI模式。為了快速傳輸數據，同時考慮到FPGA具有豐富的IO引腳資源，本系統采用直接總線接口。采用15位地址線、8位數據線、另加＼CS、＼WR、＼RD、＼INT及＼RESET等信號線。FPGA可以與W5100靈活接口，每個被W5100使用的功能引腳都直接與FPGA的IO引腳相連，只需通過FPGA的開發軟件對相應引腳進行編程配置即可。硬件系統的接口電路如圖3所示。

4.FPGA邏輯設計

4.1 讀寫控制

FPGA主要通過控制讀寫W5100的通用寄存器、套接字寄存器和內部收發存儲器來完成網絡數據通信，以對寄存器的讀為例說明用FPGA實現對W5100讀寫的過程，圖4為W5100的讀時序圖。

圖4 W5100的讀時序圖

圖4中定義了各控制引腳的時序邏輯關系，表1列出了各引腳的時序約束關系，只需在FPGA中實現該邏輯關系即可實現對寄存器/存儲器的讀操作，用有限狀態機來實現讀寫時序，采用有限狀態機是為了避免出現邏輯混亂。以讀時序為例，選用10MHz的時鐘來進行數據和地址的讀操作，即讀周期為100ns，用50MHz的時鐘來控制狀態機，狀態如圖5所示。

4.2 工作過程控制

FPGA為并行系統，為了使圖2的各工作狀態按流程圖進行，需運用圖6所示的有限狀態機對各工作流程進行控制。

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5.結束語

本文通過FPGA控制W5100固體網絡芯片實現網絡數據傳輸功能，通過UDP測試，該系統的網絡傳輸速率最高可達到70000kbps，使FPGA在具備高性能的信號處理與控制處理能力的前提下，通過簡單的控制即可進行網絡數據傳輸，節約了硬件資原，減少了軟件開發開支，具有簡單、可靠、價格低廉等優點。該方法可廣泛應用于工業控制、野外測試測量等需遠程數據采集與處理和數據通信等領域。

參考文獻

[1]王紅，彭亮，于宗光.FPGA現狀與發展趨勢[J].電子與封裝，2007，Vol.34No.16：32-37.

[2]陳麗娟，白瑞林.FPGA在網絡化數據采集系統中應用[J].電子測量技術，2005，5：50-51.

[3]王冬冬，李宇，張保祥.基于FPGA與ARM的遙測數據網絡化采集[J].現代電子技術，2011，Vol.34No.16：89-92.

[4]胡文靜，王增，肖雄偉，胡建偉.基于FPGA的高速網絡IP協議處理實現研究[J].湖南理工學院學報（自然科學版），2011，Vol.24No.2：36-38.

[5]鄒依依，郭燦新，黃成軍，王瑤，江秀臣.W5100在DSP遠程以太網數據通信系統中的應用[J].工業控制計算機，2008Vol.21No.8：20-23.