基于FPGA的网络数据传输系统的设计.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.61M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1.1课题背景

1.2SOPC技术介绍

1.3NiosII软核介绍

1.4LwIP协议栈介绍

1.5嵌入式操作系统μC/OS-II介绍

1.6DE2开发板介绍

1.7课题使用的技术和方法

2.1器件的选择

2.2操作系统的选择

2.3网络协议栈的选择

2.4总体功能描述

3.1SOPC硬件系统设计

3.2顶层文件设计

4.1程序主函数

4.2主函数代码分析

4.3LwIP协议栈主要函数

4.4DM9000网络接口的设计

4.5文件系统

5.1调试操作步骤

5.2运行结果

毕业论文（设计）毕业论文（设计）毕业论文（设计）毕业论文（设计）题目名称：题目名称：题目名称：基于基于基于基于 FPGA 题目名称： FPGA 的网络数据传输系统的设计 FPGA 的网络数据传输系统的设计 FPGA 的网络数据传输系统的设计的网络数据传输系统的设计学学学学生：生：生：生：院院院院 ((((系系系系))))：：：：专业班级：专业班级：专业班级：专业班级：指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：辅导教师：辅导教师：辅导教师：辅导教师：曾佳电子信息学院信工 10803 班覃洪英时时时时间：间：间：间： 2011 年 12 月 20 日～2012 年 6 月 10 日

目录目录目录目录长江大学毕业设计(论文)任务书..................................................................................I 毕业设计(论文)开题报告............................................................................................ II 长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见........................................................... III 长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语...................................................................IV 长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定........................................................ V 前言...........................................................................................................................VIII 第一章绪论....................................................................................................................1 1.1 课题背景..................................................................................................................1 1.1.1 课题目的......................................................................................................1 1.1.2 课题意义.......................................................................................................1 1.1.3 课题应解决的问题.......................................................................................1 1.1.4 国内外研究现状、发展趋势及存在的主要问题.......................................2 1.2 SOPC 技术介绍.......................................................................................................3 1.3 Nios II 软核介绍......................................................................................................3 1.4 LwIP 协议栈介绍..................................................................................................4 1.5 嵌入式操作系统μC/OS-II 介绍..............................................................................5 1.5.1 μC/OS-II 内核结构.......................................................................................6 1.5.2 μC/OS-II 应用程序开发步骤.......................................................................6 1.5.3 μC/OS-II 在 Nios II IDE 上的移植..............................................................7 1.6 DE2 开发板介绍..................................................................................................... 7 1.7 课题使用的技术和方法..........................................................................................8 第二章方案论述及整体设计......................................................................................9 2.1 器件的选择..............................................................................................................9 2.1.1 on chip memory 介绍....................................................................................9 2.1.2 SRAM 介绍.................................................................................................. 9 2.1.3 SDRAM 介绍................................................................................................9 2.2 操作系统的选择....................................................................................................10 2.2.1 VxWorks......................................................................................................10 2.2.2 μC/OS-II......................................................................................................10 2.2.3 μClinux........................................................................................................10 2.2.4 eCos.............................................................................................................11 2.3 网络协议栈的选择................................................................................................11 2.4 总体功能描述........................................................................................................11 2.4.1 硬件系统模型.............................................................................................12 2.4.2 软件系统模型.............................................................................................13 第三章硬件系统的设计与分析................................................................................15 3.1 SOPC 硬件系统设计.............................................................................................15 3.2 顶层文件设计........................................................................................................21 3.2.1 配置 PLL 锁相环.......................................................................................21 3.2.2 构建顶层原理图.........................................................................................22

第四章软件系统的设计与分析................................................................................23 4.1 程序主函数............................................................................................................23 4.2 主函数代码分析...................................................................................................24 4.3 LwIP 协议栈主要函数..........................................................................................25 4.3.1 lwip_stack_init() 函数................................................................................. 25 4.3.2 lwip_devices_init()函数..............................................................................26 4.3.3 init_done_func ()函数.................................................................................26 4.3.4 get _ip_addr()函数...................................................................................... 27 4.3.5 get_mac_addr() 函数................................................................................... 29 4.4 DM9000 网络接口的设计.................................................................................... 30 4.4.1DM9000 网络接口与 LwIP 的联系........................................................... 30 4.4.2 底层驱动程序.............................................................................................32 4.5 文件系统...............................................................................................................32 第五章调试结果及分析............................................................................................34 5.1 调试操作步骤.......................................................................................................34 5.1.1 硬件调试操作步骤.....................................................................................34 5.1.2 软件操作步骤.............................................................................................34 5.2 运行结果...............................................................................................................35 第六章结论................................................................................................................38 参考文献......................................................................................................................40 致谢..............................................................................................................................41 附录：设计相关代码..................................................................................................42

长江大学毕业设计((((论文论文论文论文))))任务书任务书任务书任务书长江大学毕业设计长江大学毕业设计长江大学毕业设计学院（系）电子信息学院专业电信专业班级 10803 班学生姓名曾佳指导教师/职称覃洪英/讲师 1.毕业设计(论文)题目：基于 FPGA 的网络数据传输系统的设计 2.毕业设计（论文）起止时间： 2011 年 12 月 20 日～2012 年 6 月 10 日 3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） QuartusII 和 NiosII IDE 应用软件、网络传输相关的资料； FPGA、SOPC 相关的书籍； FPGA 开发板（DE2）相关的中英文资料。 4．毕业设计(论文)应完成的主要内容在 QuartusII 软件中的 SOPC Builder 下合理定制一个包含以太网接口设备的硬件系统，然后基于该系统在 NiosII IDE 软件环境下编写网络传输应用程序，设定网络传输所需的相关地址，调用相应的数据发送、传输、接收等函数以实现 FPGA 开发板与 PC 机之间的网络数据传输。 I

5．毕业设计(论文)的目标及具体要求在有限的时间内完成 SOPC 系统的合理定制，能基于该系统在 NiosII IDE 软件环境下撰写网络传输的应用程序，并进行测试验证且获得正确的结果。本设计要求学生熟悉如何构建一个简单的 SOPC 系统，熟悉网络控制器接口的工作原理及 LWIP 协议栈中的相关函数，熟悉系统中软硬件的相互关系、网络传输的过程以及应用程序的编写方法，会自己用 C 语言编写网络传输的应用程序。还要求学生了解µC/OSII 操作系统，熟悉 QuartusII 软件和 NiosII IDE 软件的使用及调试方法。 6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求连接网络并安装了 QuartusII 软件和 NiosII IDE 软件的计算机一台 FPGA 实验箱或开发板一套。约 240 小时的上机时间任务书批准日期任务书批准日期任务书批准日期任务书批准日期年年年年月月月月日日日日教研室教研室教研室教研室((((系系系系))))主任主任主任主任((((签字签字签字签字)))) 任务书下达日期任务书下达日期任务书下达日期任务书下达日期年年年年月月月月日日日日指导教师指导教师指导教师指导教师((((签字签字签字签字)))) 完成任务日期完成任务日期完成任务日期完成任务日期年年年年月月月月日日日日学生（签名）学生（签名）学生（签名）学生（签名） I

长江大学毕业设计((((论文论文论文论文))))开题报告开题报告毕业设计开题报告毕业设计开题报告毕业设计基于 FPGA 的网络数据传输系统的设计题目名称_______________________________ 题目类别_______________________________ 毕业设计院（系）_______________________________ 电子信息学院专业班级_______________________________ 信工 10803 学生姓名_______________________________ 曾佳指导教师_______________________________ 覃洪英辅导教师_______________________________ 开题报告日期______________________________ 2012 年 3 月 20 日 II

基于 FPGAFPGAFPGAFPGA 的网络数据传输系统的设计学生：曾佳长江大学电子信息学院指导教师：覃洪英长江大学电子信息学院一、题目来源一、题目来源一、题目来源一、题目来源根据社会需求结合学生学习实际并本着提高学生动手能力、鼓励学生多涉课外书籍的目的而由教师命题。二、研究目的和意义二、研究目的和意义二、研究目的和意义二、研究目的和意义 1.11.11.11.1 研究目的研究目的研究目的研究目的 Quartus II 软件中的 SOPC Builder 下合理定制一个包含以太网接口设备的硬件系统，然后基于该系统在 NiosII IDE 软件环境下编写网络传输应用程序，设定网络传输所需的相关地址，调用相应的数据发送、传输、接收等函数以实现 FPGA 开发板与 PC 机之间的网络数据传输。 1.21.21.21.2 研究意义研究意义研究意义研究意义采用基于 NiosII 的 SOPC 技术，并嵌入 uc/os II 实时操作系统实现网络接入，可以满足系统对实时性、稳定性和灵活可扩展性的要求。对于提升产品质量和市场竞争力有着重要的意义，此技术在其它需要接入网络的领域也可以推广应用，拥有广阔的发展空间。本文将使用 ALTERA 公司 Cyclone II 系列 FPGA，以 NIOS II 软核处理器为基础，设计出片上可编程系统(System On Programmable Chip，简称 SOPC)，并将其应用到网络接入系统中，这种系统的主要优势在于以下几点： 1、采用基于 SOPC 技术的 NIOS II 软核处理器实现网络接入可以简化系统设计，降低系统的开发难度，缩短开发周期，降低成本。因为 NiosII 系统的内部设备和外围设备接口都是以 IP 核形式出现的，这样在设计时，就可以根据需要选择相应 IP 核添加到系统里，并且可以根据需要进行更改。由于软核处理器的嵌入，且 FPGA 芯片管脚可灵活设置，所以系统布线将更为容易，PCB 层数也因此可以减少，同时硬件设计的软件化还能方便的对硬件做模拟仿真，减少硬件的设计错误。 II

2、单片机程序设计与基于 SOPC 技术的控制程序设计相比，单片机的功能实现是顺序的、单线程的，而基于 FPGA 的设计是并行的、多线程的，因此更适合实时性、高速的工作场合。三、阅读的主要参考文献及资料名称三、阅读的主要参考文献及资料名称三、阅读的主要参考文献及资料名称三、阅读的主要参考文献及资料名称 [1] EDA 先锋工作室，Altera FPGA/CPLD 设计（基础篇）[M]，北京：人民邮电出版社，2005. [2] EDA 先锋工作室，Altera FPGA/CPLD 设计（高级篇）[M]，北京：人民邮电出版社，2005. [3] 彭澄廉，周博，邱卫东等，挑战 SOC[M]，北京：清华大学出版社，2004. [4] 周立功，ARM 嵌入式系统基础教程[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2005. [5] 周立功，SOPC 嵌入式系统实验教程(一)[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2006. [6] 王建校，危建国，SOPC 设计基础与实践[M]，西安：西安电子科技大学出版 2006. [7] Labrosse J Jean，嵌入式实时操作系统µC/OS-Ⅱ[M],邵贝贝译，北京：北京航空航天大学出版社，2003. [8] 徐志军，大规模可编程逻辑器件及其应用[M],成都：电子科技大学出版社，2000. [9] 宋万杰,CPLD 技术及其应用[M],西安：西安电子科技大学出版社，1999. [10] 周立功,SOPC 嵌入式系统基础教程[M],北京：北京航空航天大学出版社，2006. [11] 周立功，ARM 嵌入式系统实验教程(三)[M],北京：北京航空航天大学出版社，2005. [12] Altera Corporation.Avalon Interface Specification,May,2005. [13] Altera Corporation.Nios Ⅱ Flash Programner User Guide Vresion 1.1,December,2004. [14] Altera Corporation.Nios Ⅱ Hardware Development Tutorial.Version6.0,May,2006. [15] 任爱锋，基于 FPGA 的嵌入式系统设计[M],西安：西安电子科技大学出版社，2004. 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向随着电子技术和计算机应用技术的深入发展以及 EDA 设计技术的不断进步与完善，不仅给电子系统的设计和应用带来了新的设计思路和发展机遇，也对传统的电子系统设计手段提出了严峻的挑战。传统的电子系统设计，是以各种不同的集成电路芯片为基础，按照功能要求在印制电路板上将不同的芯片拼接、组合，构成实现某种功能的电子系统。这样的设计方法不仅繁琐，而且设计过程中的错误和不足之处不能及早地发现；进入调试阶段后， II

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