（测试计量技术及仪器专业论文）网络侦听设备硬件模块设计.pdf

? ：iq ：if 妒p k 1 i a i ， 阳 独创性声明 u li i i i l l lii i ii i ii i i i 1y 17 3 9 9 7 5 1 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：遭尘日期：2 口年多月岁日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：生尘导师签名： 日期：斗 譬- 1 j 髓 k _ 舡i ， k 摘要 摘要 网络故障测试仪是以网络故障测试、分析及定位为主要功能的手持式仪器， 适用于网络建设、维护及故障分析等诸多方面，逐渐成为了网络现场测试的重要 工具。 本文结合教研室承接的网络故障测试仪这个项目，重点对系统的嵌入式硬件 系统以及实现网络侦听的侦听电路进行了研究。在可编程逻辑器件中实现双路以 太网通路和数据帧转发模块，实现了网络在线侦听。 本文的内容包括： 1 完成了对网络故障测试仪的功能分析，确定本项目的硬件平台设计方案。 选择了以嵌入式微处理器为本系统的控制核心，并针对网络侦听的特殊要 求，提出了网络侦听电路采用基于可编程逻辑器件f p g a 的实现方案。 最终在1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 下实现全双工、半双工的网络侦听。 2 完成了以三星公司的嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 为核心的嵌入式最小系 统的硬件平台以及外围电路的设计，如以太网电路，人机接口电路等，并 完成了侦听电路与c p u 接口以及f p g a 与外围电路的接口设计；最后完 成了硬件电路的p c b 板制作以及对其进行了优化，增强了系统的稳定性。 3 结合侦听电路的功能要求，在f p g a 中实现了侦听电路的转发模块的设 计，对其设计原理进行了分析。其中转发模块中实现对数据帧目的地址检 测，当目的地址为本仪器中的m a c 地址时，则抛弃该帧。在m a c 和转 发模块之间设计了缓存，解决了在全双工模式下可能出现的冲突问题。 4 最后对硬件系统进行了调试，并对转发模块的基本通信功能进行测试。根 据测试，转发模块的设计方案可以满足要求。 关键词：网络侦听，嵌入式系统，f p g a 叼 t1 k 媾 缸 加 i ， a b s t r a c t a bs t r a c t n e t w o r kf a u l ta n a l y z e r 畔) ，w h i c hi sd e s i g n e dt ot e s t , l o c a t e ，a n dm a n a g et h e n e t w o r k , i sa p p l i e dt om a n yo c c a s i o n ss u c h 弱t h ec o n s t r u c t i o n ，m a i n t e n a n c ea n d a n a l y s i so fn e t w o r k s i t sb e c o m i n gab e t t e rs o l u t i o no ff i e l dt e s t i n gf o rn e t w o r kf a u l t s f r o mt h ep r o g r a m m eo fi n v e n t i n gas u c hi n s t r u m e n t ，t h i sp a p e rd i s c u s ss o m e t h i n g h i g h l yc o n n e c t e dw i t he m b e d d e dh a r d w a r ea n dc i r c u i tf o rn e tl i s t e n w i t hd u a l e t h e m e ta n dm o d u l ef o rd a t af r a m et r a n s m i s s i o n ，r e a l i z i n gn e tl i s t e n i n g f o l l o w i n ga r ei nt h i st h e s i s ： 1 f u n c t i o na n a l y s i sf o rt h en e t w o r kf a u l td e t e c t o r , g i v eo u ti t sd e s i g no fi t s h a r d w a r e s e l e c te m b e d d e dp r o c e s s o r 嬲c o r eo ft h i ss y s t e m o na c c o u n to fn e t l i s t e n i n g ，g i v i n gt h ep l a no fd o i n gi t 谢mf p g a a c c o m p l i s h i n gn e tl i s t e n i n ga t 10 m b p s 10 0 m b p s ，b o t hs u p p o r t i n gf u l la n dh a l fd u p l e x 2 s u c c e e di nd e s i g n i n gt h em i n i m a ls y s t e mw i me m b e d d e ds y s t e m 嬲i t sc o r e , t h e p e r i p h e r a lc i r c u i t ，s u c ha se t h e r n e t , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，c i r c u i tf o rb o t hn e t l i s t e n i n g & c p ui n t e r f a c ea n df p g a & p e r i p h e r a l c i r c u i t 3 m o d u l eo ft r a n s m i s s i o nf o rn e tl i s t e n i n gi sd o n ef o rt h es p e c i a lf u n c t i o no fn e t l i s t e n i n g ，a n da n a l y z i n gi t sd e s i g n c h e c k i n gt h em a c d e s t i n a t i o na d d r e s so fd a t a f r a m ei nm o d u l eo ft r a n s m i s s i o n , a n dw h e nt h ea d d r e s si st h i sm a c h i n e sa d d r e s s ，g i v e u pt os e n d ab u f f e rw h i c hi sd e s i g n e db e t w e e nm a ca n dm o d u l eo ft r a n s m i s s i o n d e a l s 、j l ，i mt h ec o l l i s i o ni nf u l ld u p l e x 4 d e b u g g i n gt h i sh a r d w a r es y s t e m ，a n dt e s t i n gt h eb a s i cf u n c t i o no f t r a n s m i s s i o n m o d u l e ，w i t hr e s u l tw h i c hs u c c e s s f u l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t k e y w o r d ：n e tm o n i t o r ，e m b e d d e ds y s t e m ，f p g a 髯 ， ， 矗v 目录 第一章绪论 目录 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状2 1 3 本论文研究内容3 第二章总体设计 4 2 1 功能分析与整体方案选型5 2 1 1 处理器选型7 2 1 2 侦听电路方案选择8 2 2 总体方案l0 2 3 本章小结1 2 第三章硬件电路设计。 1 3 3 1s 3 c 2 4 4 0 简介1 3 3 2 存储电路设计1 6 3 2 1s d r a m 存储器接口电路设计1 7 3 2 2f l a s h 存储器接口设计：1 9 3 3 人机交互接口电路设计2 l 3 3 1l c d 接口电路2 l 3 3 2 触摸屏电路2 2 3 4 以太网接口电路设计2 3 3 5 侦听电路硬件设计2 5 3 5 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 与侦听电路接口2 6 3 5 2 侦听电路与p h y 接口2 7 3 5 3 继电器控制电路2 8 i i i 目录 3 6 其他电路设计3 0 3 7p c b 设计3 2 3 8 本章小结3 4 第四章侦听电路程序设计3 5 4 1m a c 层的实现原理3 5 4 1 1m i i 接口原理3 6 4 1 2 发送模块3 8 4 1 3 接收模块4 l 4 2 转发模块设计4 2 4 - 3 转发模块性能分析4 5 4 3 1 冲突问题分析4 5 4 3 2 延时分析4 6 4 3 3f i f o 设计4 8 4 4 本章小结4 8 第五章调试与测试 5 1 硬件电路调试4 9 5 2 调试与测试中遇到的问题与解决方法5 2 5 3 测试与结果5 3 第六章结论。 致谢 参考文献。 附录i 。 附录i i 攻硕期间取得的研究成果 i v 5 7 j _ 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科技的快速发展，互联网也得到了快速发展。自从互联网的诞生开始， 尤其是从1 9 9 0 年开始，互联网更是迅猛发展，到现在不过是二十年的时间，互联 网已经遍布了全球五大洲，2 0 0 多个国家，网民达到了将近1 1 亿。互联网已经渗 透到社会生活的各个领域，对社会发展有巨大的推动作用。互联网已经成为人民 的日常生活中非常重要的工具。互联网具有快速及时的特点，将不同地方的人联 系到一起进行讨论，交流。互联网在我国的发展也是相当的快速的，到2 0 0 9 年底， 我国的网络用户已经达到了2 个多亿。目前随着网络的迅猛发展，应用领域也越 来越广泛，从日常的上网浏览新闻，到政府通过网络了解民意，与人民进行交流； 商业上搜索引擎，网上b 2 b 、b 2 c 等形式的网上购物以及目前在青少年之间非常 流行的网络游戏等。可以说在我们日常工作生活和经济发展中，网络已经成为不 可或缺的一部分【捌【2 3 1 。 随着网络深入到人民生活、工作、经济等各个领域，随之而来的网络故障问 题也就产生了。个人用户使用网络的过程中，可能遇到不能上网，网络数据错误 等情况，自己能够解决，影响不会很大。但是政府部门，或是经济领域在网络的 应用过程中，如果出现网络故障问题，带来的损失是非常巨大的。随着网络的普 遍，信息共享已经成为现代社会的一种发展方向。以前，政府部门之间工作主要 依靠传真机，后来单台电脑办公，到现在政府工作中已经全面网络化 2 4 1 。随着在 政府部门网络化的普及，如果出现网络故障，将给国家带来很大的损失，给社会 带来不稳定。在金融部门同样很重要，如果网络出现了故障，将会带来包括直接 损失和带来的对以后的影响将是巨大的。在4 年前，我们国内有一家银行的通信 网络连接出现了问题，导致了全国多个城市，包括广州、北京、上海等，全国大 部分网络系统瘫痪，以致跨行交易不能进行。用户不能通过自动取款机狂行操作、 也不能通过p o s 刷卡机进行刷卡消费、同时网上购物也不能成功付款，导致了多 个小时的中断，这导致经济损失和社会影响难以估价。因此，如何确保网络能够 稳定的运行，一旦出现故障能够快速解决，在这个问题上，日益成熟的网络测试 为网络的健康运行带来了保障【l 】。 电子科技大学硕士学位论文 l o r dk e l v i n 在一次著名的演讲中说过：“当我们可以测量并且用数字表达我 们谈论的东西的时候，我们才算得上对此有所了解；如果我们不能测量或者是不能 用数字表达所谈论的东西，那么我们对此的了解就是贫乏不足的 。 t c p i p 网络体系结构与协议的巨大成功来源于其开放性，但正是这种开放 性使得互联网成为了目前这样一种高度异构、开放的复杂系统。这使我们对互联 网的运行特性与内在本质知之甚少，给互联网的管理和分析带来了一系列的困难。 如果我们需要更好理解网络，那么网络测试、测量是理解网络行为的最有效途径。 1 2 国内外研究现状 从4 0 年前开始，网络中的软件和硬件技术开始成为国外互联网领域的学者和 团体的研究重点，这使得随着计算机网络的普及，对网络测试产品的开发也慢慢 的开始发展了。在科技发达的国家，集成芯片成为他们开发测试设备的首选，这 使得仪器的硬件设计复杂程度有所降低，产品的体积有所减小，而且还增强了仪 器的可靠性。现阶段，网络测试产品的发展以高精度，高可靠性，高速，智能化 为目标，快速发展。目前，网络测试领域国外发展的比较快，领先的公司有安捷 伦和福禄克公司。目前较为先进的产品有安捷伦公司的l a n j 3 4 4 6 d 、j 2 3 0 0 d 等 产品和福禄克公司的o n et o u c h 系列【2 】。 福禄克公司是一家专业研发网络测试产品的公司，为网络专业人士提供专业 的解决方案。福禄克的解决方案广泛应用于对企业网络的分析，监测和普通用户 网络的安装。此外，福禄克公司还为网络工作人员和维护人员提供一种非常强大 的工具，通过这个工作能够实现对网络性能从速度和精度综合考虑上进行优化。 福禄克公司功能完善的o n e t o u e h 系列产品早在1 0 几年前就已经研制成功，相应 的测试产品也随即面世了；经过了不到1 0 年的时间，又推出了功能更强大的 e t h e r s c o p e 系列，e t h e r s c o p e 主要应用于全双工电口的测试，以及分析p o e 接口。 随着福禄克公司的技术不断创新，在线缆测试领域也获得了很大的成功，将其应 用到了网络测试仪器中。先后获得了“网络分析的方法和装置 和“网络测试仪 器”的发明专利。近期，该公司又推出了f l u k en e t w o r k s 工作组级网络分析仪 o p v - w g a 三代，这款新分布式网络分析仪( w g a ) 是识别网络上每一设备、 应用和连接的“永远在线”解决方案，使用户更加容易地快速发现性能故障，找到 根源并解决问题，提供了更好的中心和远程站点可视性，加快了故障识别和解决。 安捷伦的网络分析产品提供了针对广域网，a t m 和以太网的全套的分布式远 2 l l 。 第一章绪论 程测试工具，特别适合高级的网络分析应用。安捷伦的解决方案几乎可以测试各 种网络，支持任何协议任何地点和时间的测试。这种灵活性让使用者可以迅速解 决他们的网络问题，降低网络的营运成本，提高客户的满意度。而且从最开始的 产品开始，安捷伦一直保证了该产品具有简洁直观的用户界面。2 0 0 9 年，安捷伦 科技宣布将其网络分析软件同一种新的硬件接口卡结合到一起，支持电信运营商 和网络设备制造商进行实时的专家级的1 0 g b p s 以太网测试和故障检测。安捷伦 并自称是唯一提供百分之百的1 0 g b p s 速率下分组数据包捕获和分析用接口设备 的测试仪表提供商。他们的产品可以支持最困难的网络故障分析【3 1 。 由于网络测试与分析仪器专用性强，前期入大，开发难度高，目前国内在这 一领域基本上时空白，国内相关的网络测试产品功能也比较单一，网络监测产品 几乎还是空白。近年来不断扩大的国内网络规模，势必会创造出庞大的网络测试 需求，大量的设备需要国外进口。 本实验室经过长期试验和不断探索，己自主研制出国内第一款功能强大的网 络故障测试仪，主要的指标都达到了o n e t o u c h 网络故障一点通的水平。现在我 们正在研制的网络监测仪，具有监听和测试功能，在设备通信过程中可以进行线 上测试，监听造成的通信延时很小，不影响正常通信，通过它测试出网络的健康 情况，然后通过人机界面显示出来。 1 3 本论文研究内容 本论文的研究内容为网络侦听设备的硬件模块，采用嵌入式微处理器和可编 程逻辑器件实现网络侦听。 本文结构安排如下： 第一章介绍网络故障测试仪的研究背景以及发展现状，并且阐述本文的研究 内容。 第二章分析了网络故障测试仪的功能需求，介绍了处理器和侦听电路的方案 选择，最后对系统总体设计方案进行介绍。 第三章介绍了本仪器的硬件原理图设计和p c b 设计，包括嵌入式最小系统设 计：存储系统设计、电源设计；外扩的设备接口设计：人机接口液晶屏和触摸屏 的设计、网卡的设计以及调试接口等。在完成功能需求的基础上，对电路设计进 行优化。 第四章介绍了网络侦听模块中的程序设计。包括对侦听电路的组成结构，侦 3 电子科技大学硕士学位论文 听电路中m a c 模块的接收逻辑，发送逻辑以及m i i 接u - f 作原理，以及转发模 块的设计，最后对转发模块的性能进行分析。 第五章介绍硬件系统开发过程中的调试方法以及在调试过程中出现的问题和 解决方法。 第六章对本文的研究内容进行总结。 4 第二章总体设计 第二章总体设计 2 1 功能分析与整体方案选型 确定设计的具体方案，需要根据对整个系统的功能需求进行详细分析。网络 故障测试仪是一款面向用户，手持式的智能仪器，具有体积小，功能强大，便于 操作等特点。本仪器主要分为硬件和软件两个方面。其中软件主要是建立嵌入式 操作系统，然后在操作系统中运行对网络测试的应用程序；硬件部分是为软件运 行搭建可靠平台，本仪器的硬件平台框图如图2 1 所示。 1 人机交互界面 ： i 控制系统 工 侦听电路 图2 - 1 硬件平台框图 下面从人机交互接口，控制系统，以及侦听电路三个部分对系统的功能需求 进行分析。 人机界面方面： 人机交互界面是用于用户查看信息和对仪器进行操作的部分，所以硬件上有 如下需求： 1 ) 需要具备显示输出设备； 2 ) 需要具有用户输入端； 3 ) 需要保存程序数据的存储器，保存用户软件。 控制模块方面： 系统中控制模块是系统的大脑，是整个系统的控制中心。需要在这部分运行 操作系统，以及对外部设备通过数据总线、地址总线、控制总线等进行控制，实 5 电子科技大学硕士学位论文 现预期功能，所以硬件上有以下需求： 1 ) 需要支持运行嵌入式操作系统的处理器； 2 ) 需要为系统运行提供足够的内存； 3 ) 需要用于保存系统内核的存储空间： 4 ) 需要用于调试输出的串口； 5 ) 需要用于下载内核的以太网接口； 侦听电路方面： 侦听电路是网络故障测试仪的主要功能模块。它用于从网络中获取以太网数 据帧，送给c p u ，同时将数据帧在发送出去，不停止通信，为了实现这种功能， 硬件上应该满足： 1 ) 本仪器的侦听功能是指将本仪器连入以太网中，不中止网络传输，这就要 求有两个以太网网口； 2 ) 首先获取网络数据帧之后，然后再将数据发送出去，所以2 个通路需要2 个转发模块，所以需要设计2 个通路； 通过对系统中各个部分进行分析，确定系统硬件部分如图2 2 所示，它主要 提供以下功能： 1 ) 提供能够支持嵌入式操作系统及应用软件运行的硬件平台，能够在控制系 统上运行人机界面。 2 ) 提供网络故障测试仪人机界面所需的触摸屏和液晶屏。 3 ) 提供以太网通信接口模块，实现侦听电路的要求。 4 ) 提供数据转发模块，用于网络数据帧转发，实现网络故障测试仪能够在不 中断网络传输的情况下对网络进行测试。 5 ) 提供系统用于保存操作系统内核和相关应用程序代码的存储系统，以及系 统运行内存空间，是系统能够顺利运行用户程序。 6 第二章总体设计 2 1 1 处理器选型 图2 - 2 硬件电路功能框图 嵌入式系统中处理器是核心，处理器的选取对整个系统的功能实现非常重要。 本系统中要求对网络数据帧进行实时处理分析，对实时性要求比较高，鉴于此特 殊要求，本系统中采用支持实时系统的处理器作为控制系统的核心。嵌入式微处 理器最大特点就是支持实时操作系统，具有多任务处理能力。因此本系统的控制 平台核心选用嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器一般支持3 2 位地址访问，或是更高位数地址访问，它 是普通p c 机中的中央控制器( c p u ) 逐步发展而来的。市场上他的销售价 格比较高，但是其性能与价格是成正比的，具有很高的数据处理能力。通用 计算机的c p u ，用户不能够根据自己使用过程中不同的需求，对某些硬件进 行选择性的添加或删除。但是嵌入式微处理器不同于普通计算机，在使用过 程中，为了降低系统功耗，或是为了满足某种特殊要求，可以只根据自己的 需要保留的硬件部分，对那些不需要的，可以去除。此外，嵌入式微处理器 还有具有占用空间小、价格低、比较高的可靠性的特点。 当前嵌入式设计中有很多中可选择的芯片类型，比较流行的芯片类型主 要有比较早期的x 8 6 系列，a r m 系列m i p s 系列，以及p o w e r p c 系列等。 其中p o w e r p c 系列具有很高的性能，但是成本比较高，不适用低端市场，主 要是应用于中高端市场，交换机和网络处理器上应用比较多；m i p s 和a r m 7 电子科技大学硕士学位论文 系列性能和功耗方面相对于p o w e r p c 来说，要稍微弱一些，成本低，适用于 低端市场，但是功耗方面，a r m 相对于m i p s 来说，占据明显优势。 在设计过程中，为了减少项目开发时间，提高设计成功可能性，我们期 望选择一款功能强大的，外设资源丰富的微处理器作为系统核心的微处理 器。但是并没有哪个c p u 是完美的，因此应该选择一款适合本项目的处理 器。选择嵌入式微处理器的时候，需要考虑诸多方面，应该重点考虑以下几 个方面： 1 ) 芯片的适用领域； 2 ) 芯片自身带有的资源以及可根据自己需要扩展的资源； 3 ) 功耗大小； 4 ) 芯片是否具有可延续性和技术的可继承性； 5 ) 仿真器普遍与使用方便与否； 。6 ) 支持的操作系统及开发工具； 7 ) 供应商是否提供完善的技术支持【4 】。 综合以上各种因素，以及根据本系统的功能需求，初步选定了$ 3 c 2 4 1 0 a ， $ 3 c 2 4 4 0 a 以及$ 3 c 2 4 4 2 等3 款芯片。这三款芯片成本差不多，从资源上以及自 身具有的性能都能够满足本设计的要求。但是其中s 3 c 2 4 1 0 a 的工作频率和其他 两个相比，比较低，s 3 c 2 4 4 0 a 和$ 3 c 2 4 4 2 两款芯片的最高频率是一样的，而且 $ 3 c 2 4 4 2 进行改进，内部集成了6 4 m 的s d 删和1 2 8 m 的n a n d f l a s h ，做成了 多芯片包的封装，节省了电路板的空间，但是它封装的特殊性，焊盘间距较小， 给布线带来了很大的困难，而且双层b g a 封装的特殊性，使焊接的成功率比较 低，所以放弃了$ 3 c 2 4 4 2 ，最终选择了$ 3 c 2 4 4 0 作为系统的处理器。 2 1 2 侦听电路方案选择 网络侦听电路是本系统的核心部分，主要是通过以太网接口，将设备连入到 以太网中，实现侦听功能。它有两种工作模式：一是网络侦听模式；另一个是直 接连通模式。当处于网络侦听模式下，它能够实现不中断网络传输同时获取网络 数据，对其进行分析，而且同时能够实现c p u 与外界以太网通信；直接连通模式 就是指不对网络数据采取任何操作。下面对以太网接口和转发模块的方案选择进 行分析。 1 ) 以太网接口 8 第二覃总体设计 侦听电路中的以太网接口主要实现以太网数据的接收和发送。以太网接口是 由物理层( p h y ) 和媒质访问控制( m a c ) 两个硬件部分构成的。物理层是目前 以太网接口比较普遍的设计方式有以下两种： 第一种：也是最普遍的是将物理层和链路层集成到同一个芯片中，比如 c s 8 9 0 0 ，d m 9 0 0 0 等集成芯片。 第二种：分别单独设计物理层和链路层来实现以太网接口功能。这种方案有 以下两种实现方案： a ) 链路层的m a c 和物理层的p h y 都采用单片集成芯片实现； 这种集成芯片实现的以太网接口一般来说适用于基本的数据传输，对于本系 统中的数据帧转发功能来说，集成芯片不是最好选择。因为，如果使用集成芯片 作为以太网接口，则转发需要在硬件上直接连线实现，这样系统工作在全双工模 式下的时候，因为系统的转发和m a c 共用同一个发送通路，如果同时工作的情 况下，集成的以太网芯片，不能够对其进行控制，很可能产生冲突： b ) 链路层的m a c 和物理层的p h y 可以通过在可编程逻辑器件f p g a 中编 程实现。 此种方法，自己通过编写程序实现对以太网接口的控制，同时鉴于上一版的 网络故障测试仪中m a c 已经在f p g a 中实现，同时由于本课题设计的网络侦听 电路，除了具有普通以太网通信功能，还应该具有数据转发功能，普通集成网卡 不能实现对数据转发。因此采用m a c + p h y 的方式实现以太网接口【2 】。 2 ) 转发模块 转发模块是侦听电路中的另一重要模块，它的主要作用就是按照m i i 接口的 标准，将接收到的网络数据进送到p h y 的发送端口按照m i i 接口标准发送出去。 转发模块有以下几种实现方案： a ) 直接将物理层p h y 的接收端与另一个p h y 的发送端连在一起，网络数据 从一端输入，然后从另一端输出，同时传到m a c 中。但是这种方案如果 遇到数据转发和主机发送同时进行，将会引起冲突，导致数据错误，所以 这种方案不可行，同时也不能检测传输帧的目的m a c ； b ) m a c 采用可编程逻辑器件实现，同时在m a c 中实现转发模块。就在m a c 接收缓存接收到数据之后，分成两路，其中一路数据传到主机中，另一路 数据送到发送缓存中。这样虽然可以通过在f p g a 内编写复杂的逻辑实 现，但是实现起来比较麻烦、复杂； c ) 在f p g a 中设计独立的转发模块，实现转发。在m a c 外面设计一个独立 9 电子科技大学硕士学位论文 的转发模块，与m a c 模块公用m i i 接口中数据接收和数据发送总线。在 f p g a 内部实现对数据发送逻辑设计，避免同时工作时发生冲突，比较容 易实现。 经过仔细考虑方案的可行性，以及实现的复杂程度，本设计采用第三种，即 在f p g a 中设计独立的转发模块进行实现。所以本设计中采用转发模块和m a c 采用在可编程逻辑器件e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 6 t 3 】中实现，然后外面接独立的p h y 芯片的 设计方案，以满足网络侦听的设计要求。网络侦听模块的内部框图如图2 3 所示： 2 2 总体方案 图2 3 单路网络侦听模块的主要结构 本系统是以$ 3 c 2 4 4 0 a 嵌入式微处理器为核心，从功能实现上将整体电路大 体划分为：存储器接口、以太网接口电路、人机交互接口、网络侦听电路、电源 时钟电路以及通用接口等。具体框图如图2 - 4 所示： 图2 - 4 嵌入式系统模块硬件电路总体设计框图 l o 第二苹总体设计 系统充分利用了s 3 c 2 4 4 0 a 资源丰富的特点，外扩了资源。存储空间方面， 采用了2 片4 4 m * 1 0 b i t 的s d r a m 并联构成6 4 mb y t e 的内存，为系统和数据交 换提供了足够的运行空间，系统不仅需要内存空间而且还需要用于存储数据和代 码的f l a s h ，所以为系统扩展了6 4 mb y t e 的f l a s h 空间，用于为系统存储系 统的启动代码，系统内核镜像以及应用程序等。在c p u 中通过对相关寄存器进行 设置，f l a s h 和s d r a m 能够正常工作。 1 ) 存储器接口 本设计中为系统运行提供了充分的内存，并联了两片4 4 m * 1 6 b i t 的s d r a m 来构成6 4 mb y t e 的运行空间，保证了程序的顺畅运行。一些固化程序需要保存， 比如启动代码、操作系统内核文件、根文件系统以及应用程序等，所以本系统外 面扩展了6 4 mb y t e 的f l a s h ，通过对c p u 内部相关寄存器进行设置，使得 f l a s h 和s d r a m 正常工作。 2 ) 网络侦听电路 网络侦听电路是在f p g a 中实现的，具有两个以太网接口，一个上行接口， 另一个为下行接口。但是不同于普通的以太网电路，他能够实现接收数据和发送 数据，而且还能够完成数据转发实现侦听。主要用于当接入以太网之后，对网络 数据帧进行监听，同时用户可以根据需要改变系统工作模式。 3 ) 人机交互接口 本设计的人机接口包括触摸屏和l c d 两部分，采用l c d 显示输出和触摸屏 输入方式，用户通过触摸触摸屏操作本仪器。 4 ) 以太网接口 本系统连接d m 9 0 0 0 a e 以太网控制器，外扩了以太网接口，主要用于以太网 网络通信，系统可以通过它连入以太网发送数据以及数据下载。 5 ) 电源和时钟电路 系统采用线性电源芯片为系统供电，外部为系统提供1 2 v 电源，首先经过转 换芯片变成5 v 电压，然后经过线性电源芯片分压为c p u 和f p g a 提供需要的 1 2 v 、1 3 v 、3 3 v 电压。时钟电路采用1 2 m h z 的晶振作为外部时钟源。 6 ) 通用接口 c p u 带有两个串口，其中一个连接到p c ，用于打印调试信息，另一个用于 向液晶显示屏输出字符；系统通过j t a g 接口连接p c ，进行在线调试和程序烧写。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章节中对网络侦听设备的功能做了详细分析，同时还仔细讨论了硬件电路 的选型，比较了目前主流的解决方案，最终确定系统的整体设计方案采用a r m 型嵌入式处理器作为系统的控制核心，由可编程逻辑器件f p g a 为核心实现侦听 电路的实现方案。最后对系统的各个模块的组成和功能进行了说明。 1 2 本系统采用三星公司 给出了整个系统的硬件框 接口电路、网络侦听电路 等。本章将对各个模块进 说明。 3 1 $ 3 0 2 4 4 0 a 简介 $ 3 c 2 4 4 0 a 是由三星公司生产的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，支持a r m t h u m b 指令集，采用a r m 9 2 0 t 核心。它是$ 3 c 2 4 1 0 a 的演变而来的产品，它在原来的 基础上提高了工作频率，最高频率由原来的2 6 6 m h z 提高到了5 3 3 m h z 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是主要为手持设备提供的一款低功耗、低成本、高性能的嵌入式 微处理器，它采用一种被称作高级微处理器总线架构a m b a 技术的新型总线 结构。他自身带有丰富的内部资源，包括自身带有独立的1 6 k b 的指令缓存和 1 6 k b 的数据缓存，具有内存管理单元，有6 0 个中断源，具有四个d m a 通道等， 内部集成了时钟电源管理，片选逻辑，p w m 控制器，摄像头，日历时钟等，它 支持l m u x 和w i l l e e 嵌入式操作系统；此外支持多种启动方式包括n a n d 引导和 非n a n d 引导方式。 $ 3 c 2 4 4 0 a 提供了非常丰富的外设扩展，用户可以根据自己的需要进行扩展 设计，大大减少了系统电路外部设备的元器件。下面对c p u 的功能简单介绍一下： 1 ) g p i o 口 $ 3 c 2 4 4 0 a 提供2 4 个中断口和1 3 0 个通用f o 口。通用f o 口分成9 个( a 、 b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 、j ) 独立的部分，单独控制，其中有些功能是和通用 i o 复用的，如：u a r t ，l c d 信号线等。 2 ) 存储电路接口 $ 3 c 2 4 4 0 a 自身集成了存储器控制器，它能够访问多达1 g b 的地址空间，存 储空间分为8 个b a n k ( b a n k 0 b a n k 7 ) ，每个b a n k l 2 8 m ，其中b a n k 6 ， b a n k 7 两个b a n k 支持s r o m s d r a m 类型的存储器，可以编程实现对b a n k 1 3 电子科技大学硕士学位论文 大小根据需要进行调整，其他六个b a n k 只支持s r o m 类型的存储器。根据不 同的启动方式b a n k 0 的空间大小映射不同，通过对o m 0 ：i 可以对b a n k 0 的数 据宽度进行设置，b a n k l 到b a n k 7 数据宽度通过寄存器设置。 3 ) l c d 电路接口 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了l c d 控制器。它通过d m a 访问方式，控制l c d 显 示电路，支持s t n 和t f t 两种类型的l c d 屏，支持双通道、单通道扫描，支持 多种显示模式。其中对于t f t 类型的l c d ，支持1 6 b p p ，2 4 b p p 真彩显示。 钔i i c 总线接口 s 3 c 2 4 4 0 削r i s c 微处理器可以支持多主设备i i c 总线串行接口。专用串行数 据线s d a 和串行时钟线s c l 承载着总线主设备和连接i i c 总线的外围设备之间 的信息。s d a 和s c l 都是双向的。在多主设备i i c 总线模式下，多个$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器可以从从属设备接收或发送串行数据。主设备$ 3 c 2 4 4 0 a 可以初始化和 中指一个i i c 总线的数据传输。 5 ) i i s 总线接口 s 3 c 2 4 4 0 a 的i i s 总线接口作为一个编解码接口连接外部8 1 6 位立体声音频 解码i c 用于迷你碟机和可携式应用。i i s 总线接口支持i i s 总线数据格式和 m s b - j u s t i f i e d 数据格式。该接口对f i f o 的访问采取了d m a 模式取代了中断。他 可以在同一时间接收和发送数据。 6 ) s p i 总线接口 $ 3 c 2 4 4 0 a 包含两个s p i 接口，每个接口分别有两个8 位的数据移位器用于 发送和接受。在s p i 发送期间，数据同时发送( 串行移出) 和接受( 串行移入) 。 s p i 接口兼容s p i 协议，支持查询，中断和d m a 传输模式。 7 ) u s b 接口 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部提供两个u s b h o s t 接口兼容1 0 和1 1 两个版本；一个 u s b - d e v i e e 接口。u s b d e v i c e 控制器提供一个高性能的全速功能的d m a 接口控 制器解决方案。u s b 设备控制器支持d m a 方式的批量传输，中断传输和控制 转移。 8 1 触摸屏 触摸屏接口可以控制或选择触摸屏触点用于x y 坐标的转换。触摸屏接口包 括触摸触点控制逻辑和有中断产生逻辑的a d c 接口逻辑。支持多种不同转换模 式。 9 ) u a r t 串口 1 4 第三章硬件电路设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 提供三个独立的异步串行端e l ，每个端1 3 都可以生成一个中断或 是d m a 请求用于c p u 和u a r t 之间的数据传输。$ 3 c 2 4 4 0 a 支持的最大的波特 率为1 1 5 2 0 0 b p s 。它的内部结构框图如下图3 1 所示： 图3 - 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部框i 虱t 6 1 电子科技大学硕士学位论文 3 2 存储电路设计 s 3 c 2 4 4 0 a 总线采用的是哈佛总线结构，它的主要特点是将程序和数据存储 在不同的存储空间中，即程序和数据存储在两个独立的存储器，每个存储器独立 编址、独立访问。s 3 c 2 4 4 0 a 内部具有系统管理，提供片选逻辑，整个地址空间 为1 g b ，将整个地址空间非为8 个b a n k ，每个b a n k 有独立的片选控制，空 间大小为1 2 8 m b 。所有b a n k 都可以通过编程方式来设置访问周期的大小，通 过软件设置大端d , 端模式。支持从n a n d f l a s h 启动和其他r o m 启动，存储 器具体映射图如图3 2 所示： o m i t ：0 1 = o t ，铂o m i t ：0 = 0 0 n o t u s e d s f r 妇 n 瞳u s e d jl g 妖删匹0 训捌郾艄艇汨删6 m 日 n g c s z ) f 3 渤橱6 昭f 1 2 8 惦 g 妖搬蚝d 训捌勖稚艟国 思门铺舶 n g c s 6 ) j 3 盈艇瀚铂舾舶2 8 h 船 r jl s r o m 1 瑚磊佑 n g c s 5 r jl g o m 1 2 i 啦 n c , c s c ) r jl 际o m 1 2 8 皤 ( r i g c s 3 ) r j 嶷o m ( n c , c s 2 ) 2 8 惦 r jl 轹c 搀请 1 嬲 ( n c , c s l ) r b o o t i n 扼盯碍i i 2 b 惦。 s r a i d ( 4 j l u r a , 增n a n df i a 曲f o rb o o tr o m j 图3 - 2s 3 c 2 4 4 0 a 复位后存储器映射图网 1 6 第三章硬件电路设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 复位之后，第一条指令的地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址，所以b a n k 0 通常是启动b a n k 。s 3 c 2 4 4 0 a 支持通过对b a n k 0 进行设置存储器的位宽进行 设置，具体设置由o m i ：o 决定，如表3 1 所示。系统在复位的时候会自动检测 o m i ：0 ，然后通知c p u 核启动方式和b a n k 0 的总线宽度。 表3 - 1b a n k 0 总线位宽选择 o m i ( o p e r a t i n gm o d e l o m of o p e r a t i n gm o d e0 ) b o o t i n gr o md a t aw i d t h o on a n df l a s hm o d e a11 6 - b 琵 1o3 2 b i t 11t e s tm o d e $ 3 c 2 4 4 0 a 支持多种启动方式，$ 3 c 2 4 4 0 a 支持代码从n a n d f l a s h 启动和其他 启动方式，本系统采用从n a n d f l a s h 启动的启动方式。当从n a n d f l a s h 启动时， 存储空间映射如图3 2 的右边图。此时b a n k 0 映射成一个只有4 k b 大小的 s r a m 。叫做“s t e p p i n g s t o n e 。系统上电或是复位后，程序从o 地址开始执行， c