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1、中北大学2013届毕业设计说明书基于W5300的百兆以太网接口设计摘要随着信息技术的发展，嵌入式系统的网络化逐渐成为一个重要的发展方向。以太网自1973年被提出以来经过长足的发展，网络传输速度已经由最初的10M发展到现在的10，000M。以太网以其成本低、易于集成和传输距离较远的优势得到了广泛的应用。用可编程逻辑器件（FPGA）与以太网协议芯片（W5300）互联，并经由简单的配置和外部线路连接构成的以太网接口，以其开发难度小、集成度高且运行稳定，已成为实现以太网通信的首选。本文阐述了一种利用W5300以太网协议芯片，并将外部数据在FPGA内整合后以UDP模式传输到其他设备的方案。并对硬件电路与
2、软件的设计过程进行了详细的阐述，接着介绍了开发环境和验证工具实现结果及实物图。本次毕业设计实现了一个FPGA控制的基于W5300的嵌入式百兆以太网接口。该接口是某数据记录仪的子模块。该设计实现了将数据以较稳定的速度传输，并且整个链路稳定可靠，已成功应用于工程实践中。关键词FPGA,W5300,百兆以太网The 100M the Ethernet connector which based on w5300AbstractWiththe development of information technology, the networked of embedded system has beco
3、me an important development direction. The speed of Ethernet has blossomed out from 10M initially into 10,000M recently with its sufficient and long term development since 1973. Thanks to its low cost, easy integration and long transmission distance, the Ethernet has been extensively used. With the
4、interconnection of the Field Programmable Gata Array (FPGA) and Ethernet protocol chip -W5300, then passing the Ethernet connector which constitutes with the simple configuration and joint of the external circuit. This technology has become the first choice to realize the ethernet communication beca
5、use of its easy development, high integration density and stable operation. This paper states a scheme that takes advantage of the ethernet protocol chip w5300 and integrates the external data in FDGA then in UDP type transfer to another equipment.The paper makes a detailed state about design proces
6、s of hardware circuit and software. Then introducing exploitation environment,verification tool, also implementation result and the physical picture.The graduation project is about embedded 100M the Ethernet connector which based on w5300 and controled by FPGA. This connector is the sibmodular of a
7、data recorder. The project realized stable delivery with a constant speed. It has applied to practice.Keywords FDGA, W5300, 100M Ethernet connector, temporary storage目 录1 绪论11.1课题背景11.2本课题的意义21.3本文的结构22 以太网原理与通信协议32.1以太网工作原理32.1.1OSI参考模型32.1.2以太网通信机制42.2通信协议52.2.1以太网通信协议简介52.2.2嵌入式TCP/IP协议族63 使用的软件与
8、芯片113.1FPGA/CPLD的集成开发环境113.2 Protel 99SE133.3 FPGA133.4以太网协议芯片W5300143.5 FPGA开发流程164 硬件设计194.1以太网协议芯片W5300的外围硬件设计194.1.1电源194.1.2配置信号214.1.3Clock Signals 时钟信号224.1.4主机接口信号224.1.5数据与地址总线244.1.6介质接口信号254.1.7外部PHY的MII接口264.1.8网络LED指示信号274.2主机XC3S400（FPGA）外围电路设计284.2.1电源284.2.2时钟信号294.2.3主机FPGA的配置EPROM以
9、及下载口295 软件设计315.1以太网（ET）模块315.1.1以太网（ET）实体定义315.1.2以太网（ET）结构体定义325.1.3全局复位335.1.4对W5300进行复位335.1.5对W5300进行初始化345.1.6对SOCKET1模式寄存器设置395.1.7开始数据的发送425.2使能控制模块（SN245）466 PCB板设计476.1Protel软件PCB设计流程476.2多层PCB设计的注意事项486.3 本次PCB设计487 毕业设计总结及展望497.1工作总结497.2工作展望49附录A 以太网部分电路图50附录B 以太网部分程序框图51附录C PCB板丝印图反面52
10、附录D PCB板丝印图正面53附录E 以太网通信的VHDL程序54参考文献64致 谢651 绪论1.1课题背景以太网（Ethernet）指的是由Xerox（施乐）公司创建并由Xerox（施乐）、Intel（英特尔）和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是现有应用中的局域网中采用的最通用的通信协议标准。在20世纪70年代中期，美国Xerox公司提出了以太网这个新概念，通过以太网超过100个网站可以不需要预先知道对方站点的信息就可以以非常高速的数据传输速率进行数据通信，通过约1000m的同轴电缆，数据传输速率从最初的3Mb/s发展到后来的10Mb/s。在1993年10月，Grand Junctio
11、n公司推出了世界上第一台快速以太网集线器FastSwith10/100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术得以正式应用。随后，Intel、SynOptics、3COM等公司相继推出自己的快速以太网装置。与此同时IEEE 802工程组对100Mbps以太网的各种标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3快速以太网标准。就这样开始了快速以太网的时代。100M以太网在经历了上世纪末的飞速的发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下广泛逐渐应用1。在商用数据通信领域，以太网发展成为互联网的基础通信技术，导致了一场全球的信息技术的革命。以太网的成
12、功之处在于实现了便捷的网络互联，通过以太网连接的网络和设备可以是不同类型的网络，运行不同网络协议的设备和系统，联网的设备可以方便的实现互联、互通与互操作。以太网在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E网到底”奠定了良好的基础。以太网已被业内人士认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线控制中的主流技术。进入21世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制领域。工业以太网交换机是在商用以太网交换机的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。2007年12月，IEC出版了IEC61158
13、现场总线第四版国际标准。它标志着工业以太网技术成为与现场总线控制并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭等工业领域中。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于发展的导入期，最近十年的增长速度远超过互联网和现场总线控制的增长速度。1.2本课题的意义尽管目前千兆以太网，甚至10G以太网已经问世。但迄今，人们研究和应用最多的还是10M/100M自适应以太网，标准为IEEE802.3和IEEE802.3u2。随着航空、航天技术的发展，在各类飞行
14、器的飞行试验中，遥测设备需要采集的数据量越来越大，对数据的传输速度和距离要求越来越高。传统的总线技术，如RS232及RS485等已经无法满足需要。以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它以成本低、易于集成和传输距离较远的优势得到广泛的应用。以太网的传输方案有两种：一种是利用数控制芯片连接物理层接口，然后通过在主控芯片内编写以太网协议来完成以太网的通信，然而这种方法开发周期比较长，难度较大，由于以太网协议程序比较繁琐，运行起来不太稳定；另一种是利用协议芯片（将以太网协议集成于一个芯片内），只需要通过简单的配置和外部线路连接就可以实现以太网通信，这种方法开发难度小，集成度高且运行稳定，已成为实现以太
15、网通信的首选34。笔者尝试设计并实现了一种基于W5300和FPGA的高速、可靠的百兆以太网接口，该接口是某数据记录仪的子模块。该模块集成度高，成本低，运行稳定且具有很强的可移植性。期望能推动以太网更加广泛的应用。1.3本文的结构本文结构安排如下：第一章绪论。介绍了以太网的发展状况和本课题的研究背景及意义。并简单介绍了本文的结构。第二章以太网原理与通信协议。主要介绍了以太网通信的工作原理。并对当前运用的网络通信协议进行了详细的描述。第三章设计使用的软件与芯片件介绍。第四章硬件设计。第五章软件设计。第六章PCB板设计。第七章毕业设计总结和前景展望。2 以太网原理与通信协议2.1以太网工作原理2.1.1OSI参考模型IEEE802.3在制定时突出的一个基本思想是对系统进行逻辑划分，研究各层之间如何通信。我们知道，IOS组织将网络按其功能划分为7个功能层，每层都完成一个特定功能。1）物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流(就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换)。这一层的数据叫做比特。2）数据链路层：定义了如何让格式化
