K7平台的Microblaze搭建LWIP

1、概述

lwip 是瑞典计算机科学院(SICS)的 Adam Dunkels 开发的一个小型开源的 TCP/IP 协议栈。实现的重点是在保持 TCP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用。

LwIP 是 Light Weight (轻型)IP 协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP 实现的重点是在保持 TCP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用，它只需十几 KB 的 RAM 和 40K 左右的 ROM 就可以运行，这使 LwIP 协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

lwIP 协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让 lwIP 适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，lwIP 对 API 进行了裁减，可以不需要复制一些数据。

lwip 提供三种 API：1)RAW API 2)lwip API 3)BSD API。

RAW API 把协议栈和应用程序放到一个进程里边，该接口基于函数回调技术，使用该接口的应用程序可以不用进行连续操作。不过，这会使应用程序编写难度加大且代 码不易被理解。为了接收数据，应用程序会向协议栈注册一个回调函数。该回调函数与特定的连接相关联，当该关联的连接到达一个信息包，该回调函数就会被协议 栈调用。这既有优点也有缺点。优点是既然应用程序和 TCP/IP 协议栈驻留在同一个进程中，那么发送和接收数据就不再产生进程切换。主要缺点是应用程序不 能使自己陷入长期的连续运算中，这样会导致通讯性能下降，原因是 TCP/IP 处理与连续运算是不能并行发生的。这个缺点可以通过把应用程序分为两部分来克服，一部分处理通讯， 一部分处理运算。

lwip API 把接收与处理放在一个线程里面。这样只要处理流程稍微被延迟，接收就会被阻塞，直接造成频繁丢包、响应不及时等严重问题。因此，接收与协议处理必须 分开。LwIP 的作者显然已经考虑到了这一点，他为我们提供了 tcpip_input() 函数来处理这个问题， 虽然他并没有在 rawapi 一文中说明。讲到这里，读者应该知道tcpip_input()函数投递的消息从哪里来的答案了吧，没错，它们来自于由底层网络驱动组成的接收线程。我们在编写网络驱动时， 其接收部分以任务的形式创建。数据包到达后， 去掉以太网包头得到 IP 包， 然后直接调用tcpip_input()函数将其 投递到 mbox 邮箱。投递结束，接收任务继续下一个数据包的接收，而被投递得 IP 包将由 TCPIP 线程继续处理。这样，即使某个 IP 包的处理时间过长也不 会造成频繁丢包现象的发生。这就是 lwip API。

BSD API 提供了基于 open-read-write-close 模型的 UNIX 标准 API，它的最大特点是使应用程序移植到其它系统时比较容易，但用在嵌入式系统中效率比较低，占用资源多。这对于我们的嵌入式应用有时是不能容忍的。

2、硬件工程搭建

Step1: 添加 MIG IP 和 Clocking Wizard

图8‑100 添加 MIG IP 和 Clocking Wizard

Step2: 添加 Microblaze IP

图8‑101 添加 Microblaze IP

Step3:添加 AXI Ethernet IP。

设置 IP 如下，其他默认

图8‑102 设置 IP

然后点击 Run Block Automation

图8‑103 Run Block Automation

Step4: AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem 中 gtx_clk 的输入时钟是 125Mhz ref_clk 的输入时钟是 200Mhz，作为其内部 IDELAYCTRL 的参考时钟。

通过 AUTO 自动连接，vivado 会自动通过 clk_wiz_0 输出时钟。

然后点击 Run Connection Automation

图8‑104 Run Connection Automation

其中 m_axi_sg_aclk 和 s_axi_lite_clk 及 m_axi_mm2s_aclk 都是系统时钟 100Mhz，将连接到一起。

图8‑105 IP连接

Step5: 添加 AXI Timer 和 axi_uartlite IP

图8‑106 添加 AXI Timer 和 axi_uartlite IP

Step6: 点击 Run Connection Automation。

图8‑107 点击 Run Connection Automation

Step7: 连接中断

将 microblaze_0_xlconcat 的 Number of Ports 设置为 5

图8‑108 连接中断

Step8:axi_ethernet_0_dma 的中断 mm2s_introut、s2mm_introut 连接到 microblaze_0_xlconcat 两个端口上

图8‑109 连接中断

Step9：将axi_ethernet_0 的 mac_irq、interrupt 连接到 microblaze_0_xlconcat 两个端口上

图8‑110 连接中断

Step10：将 axi time 的 interrupt 连接到 microblaze_0_xlconcat 最后一个端口上

图8‑111 连接中断

完成的硬件原理图

图8‑112 完成的硬件原理图

Step11：连接完成后，添加 xdc 文件，然后 Generate output，生成顶层文件

图8‑113 完成

8.5.6.3 LWIP库的修改

Xilinx SDK 目录下面 xaxiemacif_physpeed.c 文件里面对 PHY 芯片有驱动，目前支持 MARVEL 和 TI 的部分 PHY 芯片，如果使用其他厂家的 PHY 芯片，需要更改驱动，否则协商不能通过。

首先，找到 SDK 安装目录下的 LWIP 库的路径，例如：

C:\Xilinx\SDK\2017.4\data\embeddedsw\ThirdParty\sw_service

将lwip141_v1_7 文件夹复制一份到工程目录的 sdk_repo\bsp 文件夹下，将其重新命名为 lwip141_v2_04。第一步，修改 lwip141_v2_04\data\lwip141.mld 文件（可用 Notapad++等编辑器打开），将其中的版本编号。

OPTION VERSION = 2.0;

修改为

OPTION VERSION = 2.08;

由于

打开 lwip141_v2_04\src\contrib\ports\xilinx\netif\xaxiemacif_physpeed.c 源文件，增加宏定义

#define Broadcom_PHY_IDENTIFIER      0x143

图8‑114 代码分析

8.5.6.4 软件设计

新建SDK工程，导入修改过的lwip库文件

图8‑115 导入修改过的lwip库文件

新建LWIP工程

图8‑116 新建LWIP工程

设置BSP文件

图8‑117 设置BSP文件

测试

图8‑118 测试

8.5.6.5 需要注意的问题

根据不同的 PHY 芯片修改 LWIP 底层

Xilinx SDK 目录下面 xaxiemacif_physpeed.c 文件里面对 PHY 芯片有驱动，目前支持 MARVEL 和 TI 的部分 PHY 芯片，如果使用其他厂家的 PHY 芯片，需要更改驱动，否则协商不能通过。

在Microblaze 的 AXI Ethernet 里面有对 RGMII 接口的时序约束，不同的芯片需要修改约束的时间，如果差别不是很大则不修改也可以进行工作。

OUTPUT DELAY约束

需要注意是，在 AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem 中，rgmii_txc 的发送时钟 gtx_clk90，与 rgmii_td、rgmii_tx_ctl 的发送时钟 gtx_clk 存在 90°即 2ns 的相位差。因此，此时 PHY 芯片 RGMII 的 TX 接口时序不能使用默认的内部延迟模式，需要使用外部模式，其时序关系如下图。

照上图中的 setup time 和 hold time， output delay 的 min 应该为-0.8ns， max 应该为 1.0ns。忽略 PCB 延迟

·INPUT DELAY约束

对于 input，需要使能内部延迟模式，

按照上图中的 setup time  和 hold time，input delay 的 min 应该为-（4-1.2）=-2.8ns，max =-1.2ns。忽略 PCB 延迟

因此需要查看 PHY 芯片的寄存器，确认使用 TX 外部模式，RX 使用内部延迟模式。

推荐阅读

Xilinx原语的用法

例说七层OSI参考模型

TCP/IP模型

TCP和UDP

以太网遵循的IEEE 802.3 标准

媒体访问控制（MAC，Media Access Control）

媒体独立接口（MII，Meida Independent Interface）

GMII、SGMII和SerDes的区别和联系

PHY（Physical Layer，PHY）通俗理解

FPGA实现网口通信的几种方式

千兆网UDP通信

FPGA千兆网TCP通信分析

基于FPGA的网口通信实例设计

基于UDP/IP协议的电口通信（一）

基于UDP/IP协议的电口通信（二）

基于UDP/IP协议的电口通信（三）

基于原语的千兆以太网RGMII接口设计
PHY_MDIO 接口设计

利用 IBERT 进行 GTX 信号眼图测试

Aurora 8B/10B光口通信
基于UDP/IP协议的光口通信
一大波HLS设计资料来了

2020版深入浅出玩转FPGA视频教程

点击上方字体即可跳转阅读哟