當前，SoC向著面積更小、速度更高的方向發展，百兆網通信已不能滿足人們的生產和工作需要，用千兆網通信成為工作中迫切的要求。用FPGA實現千兆網的通信，有二種模式可以選擇：其一，編寫一個IP軟核；其二，用FPGA內嵌的MAC內核。方法一的靈活性大，但要實現并不容易，因此，賽靈公司將其歸為收費IP；方法二中，MAC的三態可配置特性為實現千兆網通信提供了可能。本設計就是基于此內嵌的Ethernet MAC模塊，在Vx-Works操作系統下成功實現了千兆網的通信。
1 Virtex4 FX系列FPGA中內嵌的千兆通信硬核架構
Virtex4 FX系列FPGA中內嵌了多個用于千兆通信的硬核。以XC4VFX20為例，如圖1所示，它通過一個主機接口連接了2個EMAC核。2個EMAC可以一起使用，也可以只使用其中的一個。
Virtex4中嵌入的Ethernet MAC硬核主要特點：
◆支持半雙工和(或)全雙工操作；
◆設計符合IEEE 802.3-2002標準；
◆支持3種操作模式：1 Gb／s、100 Mb／s、10 Mb／s；
◆支持MII、GMII、RGMII、SGMII通信方式；
◆為不限長度的VLAN幀和JUMBO幀提供技術支持；
◆提供了可選的網絡管理特性，包括基于每個分組的統計數據矢量和流程控制。
通過一個與處理器無關的接口，可以對TEMAC核進行配置和監控，其為用戶選擇適合其應用的理想處理器提供了附加的靈活性。
在1 Gb模式下，TEMAC支持千兆位級媒體獨立接口(GMII)和降低千兆位級媒體獨立接口(RGMII)。GMII是一個運行頻率為125 MHz的字節寬并行SDR接口，而RGMII是一個運行頻率為25 MHz的半位元組并行DDR接口，可以提供的總帶寬為1 Gb／s。而且，在100 Mb／s和10 Mb／s模式下，TEMAC均支持MII接口。MII接口是4位寬，在100 Mb／s模式下其工作頻率為25 MHz。在10 Mb／s模式下，MII接口的工作頻率為2.5 MHz。
由于Virtex4中嵌入了Ethernet MAC硬核，同時，FX系列還嵌入了PowerPC，這樣，就可以用PowerPC控制Ethernet MAC實現千兆網的通信。
2 VxWorks下BSP的移植
VxWorks 操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統(RTOS)。它采用微內核的結構，具有支持多種處理器、豐富的網絡協議、良好的兼容性和裁剪性等特點，同時具有程序動態鏈接和下載的功能。自從20世紀80年代問世以來，以其不斷推出的升級版本、高性能內核以及友好的用戶開發環境，在嵌入式實時操作系統領域逐漸占據一席之地，尤其以成功應用于火星探測車和愛國者導彈等高科技產品而聞名。VxWorks的板級支持包BSP (Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發包，主要功能是屏蔽硬件，提供操作系統的驅動。具體功能包括：
◆單板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個軟件系統提供底層硬件支持；
◆為操作系統提供設備驅動和系統中斷服務程序；
◆定制操作系統的功能，為軟件系統提供一個實時多任務的運行環境；
◆初始化操作系統，為操作系統的正常運行做準備。
在嵌入式系統設計中，BSP的開發是一項非常復雜而繁瑣的工作，Xilinx公司提供的EDK套件，可以在很大程度上減輕開發者的工作負擔。EDK中的 BSP生成器(BSPgen)可以根據不同的微處理器、外設和RTOS組合自動產生用戶可裁剪的BSP。它包含了系統所必需的支持軟件，包括Boot代碼、設備驅動和RTOS的初始化。利用BSPgen可以把Xilinx器件驅動打包到BSP的子目錄下，并且把Xilinx器件驅動與VxWorks及其 Tornado集成開發環境無縫集成，充分縮短開發周期。
但是，BSPgen生成的BSP只是一個固定的BSP模板，并不能正確地反映RAM／ROM的存儲器映射，不支持用戶通過BSPgen流程自定義的核／驅動等。因此還需要對BSPgen產生的BSP進行修改。
對BSP開發人員來講，借助EDK的BSPgen，還必須要做以下幾項工作：
①修改config.h和Makefile中的RAM、ROM地址及串口速率；
?、谛薷膕ysSerial.c，對串口進行正確的設置；
?、墼黾硬荒芘cVxWorks無縫集成的器件的驅動文件，關鍵性中斷、GPIO接口等；
?、芘渲胹ysNet.c中的以太網參數，設置MAC地址；
?、莞鶕﨓DK中的配置，禁止或使能Cache；
?、扌薷膕ysL ib.c，以顯示正確的信息；
⑦設置主機IP地址。
經過以上修改之后，將新的BSP放在Tornado的安裝目錄Tornado_root＼target＼config下。根據這個BSP，在Tornado集成環境下生成一個新的VxWorks工程，然后就可以進行一般的嵌入式操作系統開發了。
EDK中RAM和ROM的地址映射如表1所列。
若為表1所列的工程，則在config.h和Makfile文件中要進行如下修改：
sysNet.c中通過以下語句定義了網絡的MAC地址，必須根據真實的MAC地址進行修改，如本文的MAC地址：00：0A：35：01：88：25
sysSerial.c對串口進行初始化，因為要正確地指定串口ID，sysLib.c中可以顯示VxWorks鏡像的信息，因此也要進行相應的修改，如將
通過對EDK下牛成的BSP的修改，并在Tornado集成環境下生成正確的VxWorks鏡像后，可以將其下載到FPGA中。觀察串口的輸出是否正確，可以進行相應的調試工作，以確定BSP的移植是正確的。
3 UDP服務器／客戶端程序
對VxWorks BSP進行正確的配置和修改后，在useAppInit.c中書寫自己的UDP服務器端程序。本設計用基于socket的UDP通信。
網絡通信一般可通過socket實現。socket編程均采用客戶機／服務器模式，VxWorks提供了標準的BSDsocket調用，支持UDP協議。UDP協議即數據傳輸協議，它允許創建和維護與遠程計算機的連接，使其彼此可以進行數據傳輸。通信過程如圖2所示。
服務器首先調用socket()建立一個套接字socket，然后調用bind()將套接字與一個本地網絡地址(IP地址和端口號)捆綁在一起，以保證客戶端正確識別。接著服務器再調用listen()使套接字處于被動的準備接收狀態，同時規定它的請求隊列長度，隨后調用accept()來接收客戶連接。服務器進程隨即進入阻塞狀態?？蛻襞c服務器的關系是不對稱的。服務器先啟動。然后在某時刻客戶主動發出請求，服務器被動應答。
客戶端程序首先調用socket()，這個函數產生用于與各分系統連接的套接口，并為每個套接口返回一個ID號。然后初始化一個套接口結構體，為其賦上該 ID號以及服務端的IP地址和端口號，并將其作為函數connect()的參數．調用connect()函數主動去連接服務端。
當服務端與客戶端建立連接之后，就可以發送(write)和接收(read)數據。部分代碼如下：
客戶端應用程序在Windows下用VC實現，代碼略。
4 實驗結果
結合工程實際開發的順序，分2步對VxWorks下千兆網通信進行測試：
第1步，在usrAppInit.c中打印hello the world，若出現圖3所示窗口，則證明VxWorks內核已正確加載，以及BSP移植的正確性。程序跑到用戶編寫的usrAppInit.c。
第2步，對編寫的UDP服務器／客戶端進行測試，結果如表2所列。
5 結 論
由于FPGA中嵌入了PowerPC處理器及用于千兆網通信的Ethernet MAC，這樣，為利用FPGA實現高速網絡通信奠定了基礎。本文在VxWorks操作系統下實現了UDP的千兆網通信，實測速度達到294.68 Mb/s，吞吐量達到近30％。