I. Giới thiệu về FPGA và board mạch DE2 115
FPGA (Field Programmable Gate Array) là công nghệ vi mạch tích hợp có khả năng tái cấu hình linh hoạt, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng và thiết bị mạng. Board mạch DE2-115 của hãng Terasic là một kit FPGA phổ thông, tích hợp chip Cyclone IV EP4CE115F29 và các thành phần ngoại vi như SDRAM, SRAM, và hai cổng Gigabit Ethernet. Board này được chọn cho đề tài do chi phí hợp lý và khả năng hỗ trợ các ứng dụng mạng như router và firewall.
1.1. Cấu trúc và ứng dụng của FPGA
FPGA bao gồm các khối logic có thể cấu hình lại, cho phép người dùng thiết kế các hệ thống phần cứng tùy chỉnh. Ứng dụng của FPGA bao gồm kiểm thử ASIC, xử lý tín hiệu số, và các thiết bị mạng. Khả năng tái cấu hình linh hoạt của FPGA giúp tối ưu hóa hiệu năng và chi phí cho các hệ thống nhúng.
1.2. Đặc điểm của board DE2 115
Board DE2-115 tích hợp chip FPGA Cyclone IV, hai cổng Gigabit Ethernet, và các thành phần ngoại vi như SDRAM, SRAM, và Flash. Board này hỗ trợ các ứng dụng mạng và được chọn cho đề tài do khả năng hỗ trợ hai cổng Ethernet và chi phí hợp lý.
II. Kiến trúc vi xử lý Nios 2
Kiến trúc Nios 2 là một vi xử lý mềm (softcore) do hãng Altera phát triển, được thiết kế để chạy trên các chip FPGA. Nios 2 có tập lệnh RISC 32-bit, hỗ trợ 32 thanh ghi và 32 ngắt. Kiến trúc này cho phép tùy chỉnh các khối chức năng và tích hợp các thiết bị ngoại vi, phù hợp cho các ứng dụng nhúng.
2.1. Tổng quan về Nios 2
Nios 2 là vi xử lý RISC với tập lệnh 32-bit, hỗ trợ tính toán số thực và giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi. Kiến trúc này cho phép tùy chỉnh các khối chức năng và tích hợp các lệnh tùy chỉnh để tối ưu hóa hiệu năng cho các ứng dụng cụ thể.
2.2. Khả năng tùy chỉnh của Nios 2
Nios 2 cho phép người dùng tùy chỉnh các khối chức năng và tích hợp các thiết bị ngoại vi. Người dùng có thể tạo các khối chức năng chuyên dụng hoặc tích hợp các lệnh tùy chỉnh để tăng hiệu năng xử lý.
III. Chuyển nhân Linux và TCP IP Stack sang Nios 2
Quá trình chuyển nhân Linux và TCP/IP Stack sang kiến trúc Nios 2 bao gồm việc chuẩn bị mã nguồn, tạo toolchain compiler, và tùy chỉnh nhân Linux. Nhân Linux được biên dịch và nạp vào bộ nhớ Flash của board DE2-115 để hệ thống tự khởi động.
3.1. Chuẩn bị mã nguồn và toolchain
Quá trình chuyển đổi bắt đầu với việc chuẩn bị mã nguồn nhân Linux và tạo toolchain compiler phù hợp với kiến trúc Nios 2. Toolchain này được sử dụng để biên dịch nhân Linux và các ứng dụng đi kèm.
3.2. Tùy chỉnh và biên dịch nhân Linux
Nhân Linux được tùy chỉnh để hỗ trợ kiến trúc Nios 2 và các thành phần phần cứng trên board DE2-115. Sau khi tùy chỉnh, nhân Linux được biên dịch và nạp vào bộ nhớ Flash để hệ thống tự khởi động.
IV. Ứng dụng iptables và Snort trên Nios 2
Hai ứng dụng iptables và Snort được chuyển sang kiến trúc Nios 2 để thử nghiệm chức năng router và firewall. Quá trình này bao gồm việc biên dịch ứng dụng, sửa lỗi cross compiler, và thử nghiệm chức năng trên board DE2-115.
4.1. Biên dịch iptables và Snort
iptables và Snort được biên dịch để chạy trên kiến trúc Nios 2. Quá trình này bao gồm việc sửa lỗi cross compiler và đảm bảo các thư viện phụ thuộc được cài đặt đầy đủ.
4.2. Thử nghiệm chức năng router và firewall
Các ứng dụng được thử nghiệm trên board DE2-115 để đánh giá hiệu năng và chức năng router/firewall. Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng xử lý gói tin và băng thông của hệ thống.
V. Kết quả và đánh giá
Luận văn đã thành công trong việc chuyển nhân Linux và TCP/IP Stack sang kiến trúc Nios 2, đồng thời triển khai các ứng dụng iptables và Snort trên board DE2-115. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng xử lý gói tin hiệu quả và đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng mạng.
5.1. Đánh giá hiệu năng hệ thống
Hệ thống được đánh giá dựa trên khả năng xử lý gói tin và băng thông. Kết quả cho thấy hệ thống đạt hiệu năng tốt khi hoạt động ở các tốc độ clock khác nhau.
5.2. Ứng dụng thực tế
Luận văn đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống trong các tình huống mạng như router và firewall. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hệ thống nhúng và mạng.
