在ZedBoard下SPI接口和ARM处理器端实现以太网远端传输的设计
摘要：该文介绍了zedboard平台下可编程逻辑端spi接口和arm处理器端以太网远端传输的设计。结合实例阐述了可编程逻辑端spi接口设计和linux下ip驱动生成，以及采用udp/ip协议实现以太网传输的技术。实验结果证明了该系统能够精确地完成实时数据传输。
随着嵌入式技术和市场需求的不断发展，嵌入式设备之间进行信息交互以及数据远端传输成为嵌 入式系统的一个重要的环节。在嵌入式应用中以太网是解决远端传输高效可行的技术，如进行远端监 控、控制和远端异常检测，可节省大量的人力和财力［１］ 。如今，硬件设备间的通信通常采用wishbone 总线协议、i2c总线协议、uart协议等。spi是串行外围接口协议，相比其他协议具有传输速度快、应用 简单和占用引脚资源少等优点［２］ 。本文利用全可编程片上系统特性实现了一种基于zedboard的spi接口及以太网远端传输的设计方案，完成linux下硬件设备间应用spi协议通信和数据的远端传输功能，采用ｐｌ端制定接口控制模块spi ip核并且编写linux下ip核驱动的方法实现接口控制，linux系统下udp/ip协议进行以太网远端传输。同时充分利用了zedboard平台主芯片zynq-7000双核cortex a9 arm核和可编程逻辑于一体的特性，为软硬件设计提供了很强的灵活性。
１ 系统总体设计 本设计的主控板为zedboard开发板，主芯片zynq-7000结合高性能双核arm cortex a9ｍｐ core处理系统和可编程逻辑于一体。系统主要功能是：可编程逻辑端通过spi协议实现硬件设备间的通信，通过pmod口实现硬件设备的物理连接，接收的数据再采用linux系统下udp/ip协议实现以太网远端传输。系统框图如图1所示。
图１ 系统框图
１.１ 硬件设计
１.１.１ spi硬件接口
通过zedboard上的pmod接口实现硬件的物理连接，zedboard上的４个pmod接口（ja、jb、jc、jd）支持lvcmos3.3v和lvttl3.3v信号，其中的２个（jc、jd）能够支持525ｍｂ/ｓ的lvds信号。为了避免短路电流和静电，pmod接口电路设计中为每个信号口增加了１个静电保护二极管和串接了１个 200ω的电阻［３］ 。pmod接口电路设计如图２所示。其中spi协议传输只用到pmod的４个引脚，spi的４个信号线ss、mosi、miso、sck分别连接到pmod的ja1、ja2、ja3、ja4。
图２ ｐｍｏｄ接口电路
１.１.２ 硬件配置
xilinx可编程嵌入式系统工程在xilinx公司的嵌入式开发套件（embedded development kit,edk） 环境实现，xilinx edk具有完成嵌入式系统设计的一套工具和硬件配置需要的ip核 ［４］ 。edk环境下硬 件结构设计的主要工具是xilinx开发平台（xilinx platform studio，xps），硬件设计步骤如下：
（１）设置新工程路径；
（２）用ipcatalog中的ip或自定义ip配置外设；
（３）建立ucf文件；
（４）bits流生成；
（５）下载bit流到fpga中。
本设计中添加一个axi4-lite总线设备spi模块来控制pmod接口实现硬件设备之间通信，其中 axi4-lite全局时钟aclk设置为100ｍhz。spi模块分配的物理地址为0x42020000,以及64k小的空间，spi配置信息，如图３所示
图３ ｓｐｉ模块物理地址及大小
１.２ 软件设计
软件设计包含linux下spi核驱动和linux下udp/ip以太网传输应用程序两部分。spi核驱动在软件设计包含linux下spi核驱动和linux下udp/ip以太网传输应用程序两部分。spi核驱动在虚拟机中ubuntu下交叉编译完成，传输应用程序在edk开发套件中的软件开发环境下完成。
１.２.１ spi核驱动
由于远端传输由在linux系统下udp/ip协议实现的，因此，编写linux下的ip驱动，应用程序就可以通过linux的标准接口访问spi设备。本设计编写的是misc型设备驱动程序，包含设备加载、设备卸载以及文件操作函数。
spi模块加载时系统调用module_ init(spi_init)宏实现模块的初始化操作，在本系统中spi_init（）函数主要完成以下工作：
（１）内核注册misc型设备驱动；
（２）将spi模块物理地址映射到虚拟地址上。 调用module_ exit(spi_exit)宏来实现spi模块的卸载，在spi_exit（）函数完成模块的清除工作，具体为实现虚拟地址释放和删除设备文件。
系统驱动程序定义了spi读写和开关文件操作接口函数，文件操作结构为：
其中，spi_open和spi_release为打开和关闭操作封装函数。在spi_open中完成spi从机选择寄存器和控制寄存器的配置：spi使能、
spimaster 设置、spi传输模式（cpha=cpol=0）、以及禁止传输位设置。spi_read方法为将读取的数返回到应用空间，具体实现采用的是
copy_to_user内核函数。spi_write是传输数据的封装函数，通过内核函数copy_from_user实现。
１.２.２ 以太网传输应用程序设计
系统采用的是实时性比较强的面向无连接的udp/ip协议进行socket网络编程来实现以太网传输。在本系统网络传输中应用程序通过axi4—lite
总线将直接读取ｐｌ端采集数据送入协议栈中，然 后逐步封装成以太网数据帧通过网络发送出去［５］ 。网络传输具体实现流程为：（１）调用socket（）创建一个数据流套接字；（２）调用sendto（）向服务器发送read（）函数读取的数字信号；（３）调用close（）关闭套接字。实现流程如图４所示。
图４中，read（）函数为驱动程序定义的接口函数，sendto（）函数为socket编程发送消息接口函数，参数sockfd为建立通信创建的套接字。
图４ 系统传输实现流程
２ 实验测试 系统测试硬件平台为可移植linux系统zedboard开发板一块，装有 socket调试助手pc机一台。 zedboard中编写udp客户端程序，linux系统ip地址为192.168.1.10，所以测试时pc机中socket调试助手创建一个udp服务器设置ｉｐ地址为192.168.1.11，端口号为3490。通过spi协议发送一串测试字符到pmod口，再通过网口传输到pc机上显示，服务器信息设置和以太网接收数据如图５所示。实验 证明该系统能够实现设备间spi通信和以太网远端传输。
图５ ｓｏｃｋｅｔ调试助手接收以太网传输的数据
3 结束语 本文基于zedboard的spi接口和以太网传输系统实现了pl端硬件设备间spi协议通信，ps端进行以太网远端传输技术。在pl端添加spi核完成硬件设备间通信，这充分利用了fpga硬件设计的灵活性，ps端以太网传输充分利用了嵌入式开源linux操作系统特性和udp/ip协议的实时性，为视频和软件无线电等嵌入式领域提供了一个很好的传输解决方案。
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１ 系统总体设计 本设计的主控板为zedboard开发板，主芯片zynq-7000结合高性能双核arm cortex a9ｍｐ core处理系统和可编程逻辑于一体。系统主要功能是：可编程逻辑端通过spi协议实现硬件设备间的通信，通过pmod口实现硬件设备的物理连接，接收的数据再采用linux系统下udp/ip协议实现以太网远端传输。系统框图如图1所示。
图１ 系统框图
１.１ 硬件设计
１.１.１ spi硬件接口
通过zedboard上的pmod接口实现硬件的物理连接，zedboard上的４个pmod接口（ja、jb、jc、jd）支持lvcmos3.3v和lvttl3.3v信号，其中的２个（jc、jd）能够支持525ｍｂ/ｓ的lvds信号。为了避免短路电流和静电，pmod接口电路设计中为每个信号口增加了１个静电保护二极管和串接了１个 200ω的电阻［３］ 。pmod接口电路设计如图２所示。其中spi协议传输只用到pmod的４个引脚，spi的４个信号线ss、mosi、miso、sck分别连接到pmod的ja1、ja2、ja3、ja4。
图２ ｐｍｏｄ接口电路
１.１.２ 硬件配置
xilinx可编程嵌入式系统工程在xilinx公司的嵌入式开发套件（embedded development kit,edk） 环境实现，xilinx edk具有完成嵌入式系统设计的一套工具和硬件配置需要的ip核 ［４］ 。edk环境下硬 件结构设计的主要工具是xilinx开发平台（xilinx platform studio，xps），硬件设计步骤如下：
（１）设置新工程路径；
（２）用ipcatalog中的ip或自定义ip配置外设；
（３）建立ucf文件；
（４）bits流生成；
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本设计中添加一个axi4-lite总线设备spi模块来控制pmod接口实现硬件设备之间通信，其中 axi4-lite全局时钟aclk设置为100ｍhz。spi模块分配的物理地址为0x42020000,以及64k小的空间，spi配置信息，如图３所示
图３ ｓｐｉ模块物理地址及大小
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其中，spi_open和spi_release为打开和关闭操作封装函数。在spi_open中完成spi从机选择寄存器和控制寄存器的配置：spi使能、
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图４中，read（）函数为驱动程序定义的接口函数，sendto（）函数为socket编程发送消息接口函数，参数sockfd为建立通信创建的套接字。
图４ 系统传输实现流程
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