嵌入式系统/ARM技术中的基于SOPC技术在嵌入式工业以太网中的应用

1 引言 　　随着以太网在工业控制领域得到大规模应用，嵌入式的工业以太网系统也越来越多的渗入到了工业控制领域。以Motorola ColdFire微处理器和ARM处理器为硬件平台的嵌入式工业以太网系统已经有大量文献报道。 　　以上这些系统的开发平台并不完全针对工业以太网的应用情况，因为芯片设计公司并不完全熟悉工业以太网的需要。因此在实际应用当中经常出现硬件资源浪费或者资源不够的问题，并且开发系统往往需外接PLD芯片来进行外围器件的逻辑控制，存在接口速率的瓶颈问题。SOPC技术能解决这个难题。 　　2 SOPC技术 　　可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统:首先它是片上系统（ 嵌入式系统在工业以太网中的应用正在快速发展，尤其以ARM处理器为代表的嵌入式硬件平台，例如Motorola ColdFire，被广泛应用于构建工业以太网系统。然而，传统方法存在设计不针对性的问题，导致资源浪费或不足，以及外部PLD芯片引入的接口速率限制。为了解决这些问题，SOPC（可编程片上系统）技术应运而生。 SOPC技术结合了片上系统（SOC）和现场可编程门阵列（FPGA）的优势，实现了系统设计的高度灵活性。它不仅能够在一个芯片上集成系统的主要逻辑功能，还支持可编程性，允许设计者根据需求裁剪、扩展和升级系统。这种技术还包括软硬件协同设计，使得在复杂的嵌入式系统设计中能够优化性能和功耗。由于SOPC的逻辑设计在可编程逻辑器件内部，传统的调试手段变得困难，因此需要依赖高级的仿真和调试工具，如Altera公司的SignalTap II和DSP Builder等。 NIOS是Altera公司推出的一种可配置的RISC软核处理器，特别适合嵌入式系统设计。它拥有16位指令集和16/32位数据通路，可以根据需要配置为不同性能的CPU，并带有各种外设控制器选项，如SDRAM、UART、PCI、LCD和MAC接口等。NIOS的优势在于它能够在单一芯片上整合CPU和PLD功能，避免了接口速率瓶颈，降低了开发成本，简化了电路板设计。 在设计嵌入式工业以太网控制器的硬件时，会利用SOPC Builder和Quartus II工具，自定义NIOS CPU的特性，选择或创建合适的IP Core来构建外设。硬件通常包括FPGA部分（包含NIOS CPU核心）、存储器部分和外围元件。FPGA选型如CYCLONE EP1C6，其上会搭建包含CPU、Avalon总线控制器、Boot ROM、UART、定时器和通用IO接口等模块。 总结来说，SOPC技术是解决嵌入式工业以太网系统设计中硬件资源优化和接口速率问题的关键，而NIOS软核处理器则提供了高度灵活和成本效益的嵌入式计算解决方案。通过SOPC技术，设计者能够构建更高效、更适应工业以太网需求的嵌入式系统，从而推动工业自动化和网络化的进步。