MicroBlaze處理器的PetaLinux操作系統(tǒng)移植

引言
    隨著FPGA(Field Prograromable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)技術(shù)的迅速發(fā)展，SOPC(Systam On a Prograromable Chip，可編程片上系統(tǒng))作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向。SOPC融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能。其核心是在FPGA上實現(xiàn)的嵌入式微處理器核，而如何針對特定的微處理器選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)是SOPC開發(fā)的難點之一。本文針對Xilinx公司的MicroBlaze軟核，介紹了PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)及其移植方法，研究了PetaLinux的相關(guān)配置和啟動方案。

1 基于MicroBlaze處理器的系統(tǒng)設(shè)計
1．1 MicroBlaze處理器簡介
    MicroBlaze軟核處理器是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強大的微處理器。它內(nèi)部采用RISC架構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，支持CoreConnect片上總線的標準外設(shè)計集合，具有兼容性和重復(fù)利用性，且可根據(jù)性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減，極大地擴展了應(yīng)用范圍，其最精簡的核只需要將近400個Slice。
    MicroBlaze的CoreConnect總線、它能夠?qū)PGA內(nèi)各種不同的IP核連接到一起構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。CoreConnect總線是一個總線標準的集合，它包括PLB總線(Processor Local Bus，處理器本地總線)，LMB總線(Local Memory Bus，高速本地存儲器總線)，F(xiàn)SL(Fast Simplex Link，快速單連接)總線，以及XCL(Xilinx CacheLink)總線等。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部設(shè)備概述
    本系統(tǒng)主要是在Virtex-4開發(fā)板上構(gòu)建一個以MicroBlaze處理器為中心的嵌入式信號處理系統(tǒng)，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)系統(tǒng)的總線架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲、地址譯碼、外設(shè)接口等系統(tǒng)部件和功能。各功能部件在FPGA內(nèi)部都以IP核的形式構(gòu)建并連接，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    其中，SysACE用于存放文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序配置文件，INTC用來實現(xiàn)中斷控制；GPIO和UART 16550用于系統(tǒng)調(diào)試，自定義IP核DDC用來實現(xiàn)數(shù)字接收機下變頻功能，這些外設(shè)通過PLB總線與MicroBlaze處理器和DDR相連；用于快速傅里葉變換的自定義IP核FFT通過FSL總線與Micr-oBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸；DDR通過XCL總線與MicroBlaze處理器相連，實現(xiàn)了MicroBlaze處理器對片外存儲器的高速訪問。
1．3 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
    選用PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)。它是PetaLogix公司專門針對FPGA的片上系統(tǒng)設(shè)計的嵌入式Linux開發(fā)套件，在滿足應(yīng)用工程的邏輯編程能力和對嵌入式Linux要求的同時，可極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。PetaLinux作為專門針對于Xilinx FPGA的嵌入式Linux解決方案，不但提供了專門的BSP生成器，而且提供了眾多的參考設(shè)計，可以幫助設(shè)計者快速掌握PetaLinux的配置方法。PelaLinux內(nèi)核正在不斷的完善之中，且不斷地加入基于Xilinx FPGA嵌入式系統(tǒng)IP核的設(shè)備驅(qū)動，比如XilinxUSB、SysACE、FSL總線設(shè)備驅(qū)動、10／100／1000M三態(tài)以太網(wǎng)MAC等。這些設(shè)備驅(qū)動極大地減輕了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的工作量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

2 PetaLinux系統(tǒng)移植
    在SOPC硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成后，就要針對此結(jié)構(gòu)配置操作系統(tǒng)內(nèi)核，下面介紹具體步驟。
2．1 建立交叉編譯環(huán)境
    嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般采用交叉編譯的方法，即在宿主機上對內(nèi)核和應(yīng)用程序進行編譯，生成目標機處理器可執(zhí)行的二進制位流文件，將此文件下載到目標機運行。PetaLinux針對MicroBlaze處理器建立了交叉編譯器，運行source．／settings．sh腳本，系統(tǒng)會自動建立交叉環(huán)境。
2．2 建立硬件平臺
    PetaLinux為每個應(yīng)用工程建立一個文件夾，里面保存該工程的硬件配置。在移植PetaLinux時，只需選擇相應(yīng)的硬件平臺，內(nèi)核就會讀取該工程文件夾下的配置文件。使用PetaLinux-new-platform命令建立硬件平臺，如果使用MMU(虛擬內(nèi)存管理單元)，則在此命令后添加-m選項。硬件平臺建立起來后，運行make menuconfig命令，在Vendor／Product Seletion選項中，選擇該硬件平臺。
    另外，還需將在EDK下生成的配置文件轉(zhuǎn)換成Linux操作系統(tǒng)可以識別的格式。在工程文件夾下運行PetaLinux-copy-autoconfig命令，自動完成格式轉(zhuǎn)換，并拷貝配置文件到已選擇的工程文件夾下。
2．3 添加自定義設(shè)備驅(qū)動
    本系統(tǒng)自定義了IP核，因此必須開發(fā)驅(qū)動程序并將其添加到PetaLinux配置中。添加自定義設(shè)備驅(qū)動主要步驟如下：
    ①在平臺配置目錄下Makefile文件中添加語句platobj-$(CONFIG_PETALOGIX_DDC)+=ddc．o和$(obj)／ddc．o：．config使設(shè)備初始化函數(shù)ddc．C與內(nèi)核配置相關(guān)聯(lián)；
    ②在驅(qū)動程序所在目錄下的Makefile文件中添加obj-$(CONFIG_PETALOGIX_DDC)+=ddc_adapter．o使設(shè)備驅(qū)動程序ddc_adapter．c與內(nèi)核配置相關(guān)聯(lián)；
    ③修改設(shè)備驅(qū)動程序所在目錄下的Kconfig文件，使配置內(nèi)核時可以選擇該設(shè)備驅(qū)動，并添加以下語句：

    通過以上文件的修改，就可以在配置PetaLinux內(nèi)核時選擇自定義的設(shè)備驅(qū)動。
2．4 配置PetaLinux內(nèi)核
    由于Linux內(nèi)核的可裁減性，能夠方便地對內(nèi)核進行修改、裁減、編譯，最終移植到一個嵌入式系統(tǒng)中。運行圖形編輯工具make menuc-onfig命令，對內(nèi)核和系統(tǒng)環(huán)境進行配置。
    在內(nèi)核配置的設(shè)備驅(qū)動選項中，一定要選擇與系統(tǒng)硬件配置一致的硬件設(shè)備驅(qū)動，否則內(nèi)核編譯時就會出錯。針對本系統(tǒng)的硬件配置，主要配置以下幾項驅(qū)動：
    ①[Block devices]塊設(shè)備。選擇Xilinx SystemACEsupport。
    ②[Misc device]混雜設(shè)備。選擇FSL FIFO driver，然后進入FSL Channel Selection，選擇FIFO on FSLO，并選擇自添加設(shè)備驅(qū)動Pet-aLogix DDC101 Driver。
    ③[Network device support]網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。選擇Ethernet(1000Mbit)子菜單中的Xilinx 10／100／1000 LLTEMAC support。
    ④[Character devices]字符設(shè)備。選擇Serial drivers子菜單中的8250／16550 and compatible serial support和Console on 8250／16550 and compatible serial port。
    文件系統(tǒng)選項中，默認選擇了ext2、romfs和cramfs文件系統(tǒng)，其他文件系統(tǒng)可以根據(jù)需要自行選擇。本系統(tǒng)需要掛載DOS文件系統(tǒng)的CF卡，因此進行以下配置：
    ①[DOS／FAT／NT Filesystems]。選擇MSDOS fssupport。
    ②[Native Language Support]。選擇Codepage 437(United States，Canada)。
    內(nèi)核配置中的其他配置可以根據(jù)目標系統(tǒng)的不同靈活配置，配置完成后保存退出，自動進入系統(tǒng)環(huán)境配置菜單。系統(tǒng)環(huán)境配置是對Peta-Linux的屬性、命令進行配置，主要有以下幾個選項：
    ①[System Settings]系統(tǒng)設(shè)置。配置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址、默認用戶名、默認登陸密碼和所用根文件系統(tǒng)等內(nèi)容。
    ②Core Applications]內(nèi)核應(yīng)用。主要配置內(nèi)核的常用特性。
    ③[Network Applications]網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。配置網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時的相關(guān)命令。
    ④[Miscellaneous Applications]混雜應(yīng)用。配置系統(tǒng)內(nèi)核中的命令。
    ⑤[BusyBox]。配置系統(tǒng)內(nèi)核中的命令。
    PetaLinux已經(jīng)設(shè)置好了編譯規(guī)則，因此配置完成后，依次執(zhí)行命令make dep、make clean、make all，建立文件依賴關(guān)系，清除舊的文件，編譯內(nèi)核，生成內(nèi)核image。

3 PetaLinux啟動方案
    經(jīng)過編譯的PetaLinux內(nèi)核image文件主要有image．bin、image．elf、image．ub。根據(jù)選擇image文件的不同，PetaLinux有4種啟動方案：XMD下載啟動、TFTP網(wǎng)絡(luò)下載啟動、Flash啟動和SysACE CF卡啟動。其中，XMD和TFTP網(wǎng)絡(luò)下載啟動方案，在每次系統(tǒng)上電后都必須重新下載，適用于系統(tǒng)調(diào)試；Flash啟動方案在系統(tǒng)上電后自動從Flash中讀取配置文件，但Flash燒寫速度較慢，更改系統(tǒng)配置較為不便。因此，本系統(tǒng)選用SysACECF卡啟動方案。
    使用SysACE CF卡啟動PetaLinux，先將硬件比特流文件和image．elf制作成ACE文件，再復(fù)制到CF卡中，配置CF卡啟動PetaLinux。制作ACE文件，可在EDKShell窗口運行命令：
    xmd-tcl genace．tcl(命令工具)
    -jprog-board m1402(所需的開發(fā)板)
    -hw implementation／download．bit(生成的比特流文件)
    -elf image．elf(編譯Linux內(nèi)核生成的可執(zhí)行網(wǎng)表文件)
    -ace system．a(chǎn)ce(需生成的ACE文件)
    成功后，適合于ML-402開發(fā)板的ACE文件就生成了。
    Linux運行需要根文件系統(tǒng)的支持，啟動時必須加載文件系統(tǒng)以支持系統(tǒng)的運行，而image．elf中不包含文件系統(tǒng)。因此，使用SysACE CF卡啟動時必須手動加載文件系統(tǒng)。在編譯PetaLinux內(nèi)核時，已經(jīng)生成了以romfs文件夾為名稱的文件系統(tǒng)，所以只需將CF卡分區(qū)和格式化，然后掛載此文件系統(tǒng)。具體步驟如下：
    ①將CF卡掛載到Linux系統(tǒng)中，運行命令fdisk／dev／sda把CF卡分成3個區(qū)。第1分區(qū)存放system．a(chǎn)ce文件，第2分區(qū)為Linux Swap交換分區(qū)，第3分區(qū)存放根文件系統(tǒng)。
    ②Linux下格式化第3分區(qū)為ext2文件系統(tǒng)，運行命令mke2fs／dev／sda3。在／ete／fstab下輸入命令／dev／sda3／mnt／rootfs auto defaults，user，noauto 0 0。把設(shè)備sda3掛在／mnt／rootfs文件下，文件系統(tǒng)為默認的ext2，普通用戶，能掛載，不轉(zhuǎn)儲，啟動時不掃描文件系統(tǒng)。通過命令mount／mnt／rootfs掛載該目錄，這樣就可以把根文件系統(tǒng)rootfs拷貝到CF卡的該分區(qū)上。
    ③Windows下格式化第1分區(qū)為FAT32文件系統(tǒng)，把system．a(chǎn)ce復(fù)制到這個分區(qū)。
    ④Linux下格式化第2分區(qū)為交換分區(qū)，運行命令mkswap／dev／sda2。
    一切準備就緒后，插入CF卡，開啟電源，就可以從CF卡啟動PetaLinux。

結(jié)語
    本文介紹了一種可用于MicroBlaze處理器的嵌入式Linux操作系統(tǒng)——PetaLinux，并詳細討論了其內(nèi)核配置和啟動方案。通過移植Peta-Linux，本文開發(fā)的SOPC可以直接用于實際工程。該嵌入式操作系統(tǒng)移植快速、簡單，由于其基于Linux2．6內(nèi)核，可以保證較高的穩(wěn)定性。因此，在SOPC應(yīng)用日益復(fù)雜的背景下具有較高的實用價值。
    本文創(chuàng)新點：實現(xiàn)了PetaLinux在MicroBlaze處理器的移植，并成功實現(xiàn)PetaLinux中自定義硬件設(shè)備驅(qū)動的添加和SysACE CF卡的啟動方案。