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。