SOPC 系統(tǒng)建立及uClinux 移植實現(xiàn)

摘要：本文通過具體實現(xiàn)一個可以運行uClinux操作系統(tǒng)的最小SOPC系統(tǒng)，較為完整地介紹了構(gòu)建SOPC系統(tǒng)以及構(gòu)建NiosII軟核處理器的方法及步驟，并詳細描述了uCLinux操作系統(tǒng)在該SOPC系統(tǒng)上的移植方法。此外，還進行了基于NiosII處理器uClinux操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序的開發(fā)，以從總體上完成實用性的驗證。

引言隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步和制造工藝水平的提高，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得日益復(fù)雜。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的需要。單個芯片容量的增大、功能的增加、體積的減小使得設(shè)計變得更加便利，同時也為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)開辟了新的天地，即出現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)(SystemOnProgrammableChip，SOPC)技術(shù)。SOPC技術(shù)大大促進了軟硬件協(xié)同設(shè)計及計算機系統(tǒng)設(shè)計自動化的發(fā)展，并具有可裁剪、可擴充、可升級的靈活設(shè)計方式及在系統(tǒng)可編程功能。

通常，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分主要基于實時操作系統(tǒng)(簡稱RTOS)，在特定的RTOS之上開發(fā)應(yīng)用軟件。通過屏蔽掉許多底層硬件細節(jié)的方法，可以使得程序開發(fā)人員改進軟件功能、提高設(shè)計效率、降低開發(fā)難度，同時使得程序調(diào)試方便、移植簡單、容易維護，大大縮短了開發(fā)周期。uClinux是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中的實時操作系統(tǒng)，針對微控制器領(lǐng)域而設(shè)計。它的特點是較好的穩(wěn)定性、出色的網(wǎng)絡(luò)功能和高效的文件系統(tǒng)支持等。最大特征就是不使用內(nèi)存管理單元模塊（MMU：MemoryManagementUnit），很適合那些沒有MMU的處理器。如把uClinux操作系統(tǒng)移植于SOPC系統(tǒng)，便可以使得此類系統(tǒng)大大縮短軟硬件開發(fā)的時間，并可進一步增強整體功能。

1SOPC硬件系統(tǒng)的建立1。1硬件系統(tǒng)架構(gòu)不同于許多基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)，基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)具有可配置的特點，可根據(jù)需要靈活地在一片F(xiàn)PGA中構(gòu)造外設(shè)接口。本文構(gòu)建的最小系統(tǒng)可運行uClinux，采用Altera公司的CycloneⅡ芯片EP2C35及相關(guān)外圍電路組成。其中，外圍電路包括1片16MB的DDRSDRAM、l片16MB的Flash、RS232、串行配置芯片EPCS64以及供電系統(tǒng)。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

1。2SOPC硬件開發(fā)NiosⅡ系列嵌入式處理器是一款采用流水線技術(shù)、單指令流的RISCCPU，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。NiosⅡ包括3種內(nèi)核：快速的F(最高性能的優(yōu)化)內(nèi)核、經(jīng)濟的E(最小邏輯占用的優(yōu)化)內(nèi)核以及標(biāo)準(zhǔn)的S(平衡于性能和尺寸)內(nèi)核，每種內(nèi)核根據(jù)不同的性能而優(yōu)化。NiosⅡ嵌入式CPU支持32位指令集、32位數(shù)據(jù)線寬度、32個通用寄存器、32個外部中斷源、2GB尋址空間，包含高達256個用戶自定義的CPU定制指令。NI0SⅡCPU的所有數(shù)據(jù)、程序都是通過Avalon總線傳輸?shù)?，通過使用Altera的QuartusⅡ軟件以及SOPCBuilder工具可以輕松地將NiosⅡ內(nèi)核嵌入到系統(tǒng)里。

SOPC硬件開發(fā)主要使用QuartusⅡ和SOPCBuilder。由于本系統(tǒng)中使用到DDRSDRAM，所以在系統(tǒng)開發(fā)前必須安裝與QuartusⅡ版本相兼容的Megacore程序以提供DDRSDRAMIP核。硬件設(shè)計主要工作有以下兩步：（1）定制NiosⅡ處理器軟核。用SOPCBuilder軟件從NiosⅡ處理器內(nèi)核和NiosⅡ開發(fā)套件提供的外設(shè)列表中選取合適的CPU、存儲器以及各外圍器件（如片內(nèi)存儲器、PIO、定時器、UART、片外存儲器接口等），并定制和配置它們的功能、分配外設(shè)地址及中斷號、設(shè)定復(fù)位地址、最后生成系統(tǒng)。用戶也可以添加用戶自身定制指令邏輯到NiosⅡ內(nèi)核以加速CPU性能，或添加用戶外設(shè)以減輕CPU的任務(wù)。定制好的NiosⅡ處理器軟核如圖2所示。

（2）建立完善頂層模塊。使用SOPCBuilder生成NiosⅡ系統(tǒng)后，將其集成到整個QuartusⅡ工程中。根據(jù)需要在工程中加入NiosⅡ系統(tǒng)以外的邏輯，用戶也可以集成自身定制的硬件模塊到SOPC設(shè)計之中，或集成從Altera或第3方IP供應(yīng)商得到的其它現(xiàn)成的知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計模塊。頂層模塊主要包括DDRSDRAM模塊、FLASH模塊、UART模塊以及PIO模塊。

2裁剪和移植uClinux操作系統(tǒng)本系統(tǒng)使用的是Microtronix公司負責(zé)維護和發(fā)行的NiosⅡuClinux版本。該版本uClinux是2。6。11的內(nèi)核，目前在NiosⅡ上運行最為穩(wěn)定。在NiosⅡ上實現(xiàn)uClinux操作系統(tǒng)環(huán)境主要包括兩個部分，一是針對NiosⅡ處理器移植的uClinux內(nèi)核，二是建立一個包含基本系統(tǒng)工具和應(yīng)用程序的根文件系統(tǒng)。

2。1建立uClinux內(nèi)核該項工作主要需在NiosIIIDE環(huán)境中利用MicrotronixDevice欄中選擇uClinux內(nèi)核上傳的位置（FLASH）以及內(nèi)核運行的位置（SDRAM），完成生成內(nèi)核的配置。回到NiosIIIDE主窗口界面后，在ProjectNavigator窗口中可以看到uClinux_kernel工程已經(jīng)建立好。此時在uClinux_kernel上點擊右鍵選擇ConfigureKernel，進入uClinux內(nèi)核配置界面，并根據(jù)硬件系統(tǒng)進行uClinux內(nèi)核配置。需配置的主要選項及相關(guān)描述如下：（1）Processertypeandfeature--->Platform。項選擇AlteraCycloneDevelopmentBoardSupport；（2）DeviceDrivers--->ATA/ATAPI/MFM/RLLsupport選項關(guān)掉，我們所建立的NiosII系統(tǒng)沒有外部IDE接口外設(shè)；（3）DeviceDrivers--->Characterdevices--->NiosPIObuttonssupport選項關(guān)掉，因為系統(tǒng)中沒有buttonsPIO，若選擇則會編譯出錯；（4）DeviceDrivers->Characterdevices--->Serialdrivers--->AlteraJTAGUARTsupport選項選中，為控制臺選擇JTAG下載方式；（5）DeviceDrivers->Characterdevices--->Serialdrivers--->Niosserialsupport選項選中，通過RS232串口與系統(tǒng)進行通信交流；（6）其余配置不需要改變。

配置完成后予以保存并回到NiosIIIDE主窗口界面。在ProjectNavigator窗口中右鍵點擊uClinux_kernel選擇BuildProject編譯內(nèi)核。編譯完成后，在ProjectNavigator窗口中展開uClinux_kernel工程。可以看到，在uClinux_kernel的目錄中，已經(jīng)生成了vmlinux。bin文件。在該文件上點擊右鍵選擇Upload即可啟動燒寫程序，將生成的內(nèi)核二進制文件vmlinux。bin寫入Flash芯片中。

2。2建立uClinux文件系統(tǒng)uClinux文件系統(tǒng)的建立與uClinux內(nèi)核的建立方法類似，也是在NiosIIIDE環(huán)境中利用MicrotronixInstallMinimal按鈕，只選擇必須的工具和應(yīng)用程序。這種情況下生成的基本文件系統(tǒng)僅為872K，很適合資源緊湊的開發(fā)平臺。[!--empirenews.page--]

為了精簡系統(tǒng)，選擇InstallMinimal，點擊Finish完成基本文件系統(tǒng)的配置。回到NiosIIIDE的主窗口界面，編譯工程。編譯完成之后，在uClinux_fs工程的目錄列表中可以看到romfs。bin文件已經(jīng)生成。與處理內(nèi)核文件相同，再將romfs。bin文件寫入Flash中。至此，uClinux的內(nèi)核和文件系統(tǒng)都已經(jīng)存在于目標(biāo)硬件系統(tǒng)（開發(fā)板）中的Flash芯片上了。NiosII處理器復(fù)位之后就能從Flash中引導(dǎo)啟動，進入uClinux操作系統(tǒng)。

2。3運行并登陸uClinux操作系統(tǒng)進入Quartus的編程窗口，將編譯生成的。sof文件下載到硬件系統(tǒng)（開發(fā)板）上。通過超級終端或DNW程序可以看到，uClinux的啟動信息已經(jīng)從DNW窗口輸出，并等待與用戶通信。輸入ls命令可以看到配置uClinux_fs時所選擇的基本工具和應(yīng)用程序。至此，已經(jīng)成功定制并登陸到uClinux系統(tǒng)中。DNW軟件輸出的uClinux系統(tǒng)啟動信息如圖3所示。

3建立并執(zhí)行用戶應(yīng)用程序3。1建立用戶應(yīng)用程序利用MicrotronixNiosⅡ完成uClinux應(yīng)用程序工程的創(chuàng)建后，在ProjectNavigator窗口中可以看到一個空的工程?？尚陆?。c文件及makefile文件向工程中添加用戶程序代碼，也可導(dǎo)入已建立好的。c文件及makefile文件。這里選用較為通用的新建方法為例進行介紹。

首先在工程中建立。c文件，輸入程序代碼：#includemain(){printf("MyfirstNios2uClinuxProgram！n");}當(dāng)建立makefile文件、輸入對應(yīng)的編譯、控制信息代碼并編譯完成后，即可在工程中看到所生成的NiosIILinux可執(zhí)行文件。exe文件。

3。2下載并運行用戶應(yīng)用程序有多種方法將NiosIIuClinux可執(zhí)行文件。exe文件傳輸?shù)絬Clinux系統(tǒng)中并運行，一般首選ftp和NFS方法。鑒于本例沒有包含網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所以選用修改文件系統(tǒng)內(nèi)容的方法完成下載和運行任務(wù)。

先將編譯好的。exe文件拷貝到uClinux_fs工程的targetbin目錄下（可以根據(jù)自己的習(xí)慣選擇其它），重新編譯uClinux_fs工程。完成后將編譯新生成的romfs。bin文件寫入Flash芯片中，啟動登陸uClinux操作系統(tǒng)，進入/bin目錄?？梢钥吹?，拷貝到文件系統(tǒng)中的。exe程序已經(jīng)出現(xiàn)在/bin目錄中。執(zhí)行后則在DNW窗口得到程序執(zhí)行的結(jié)果，例如打印輸出：MyfirstNios2uClinuxProgram！其效果示于圖4。

4結(jié)束語嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合性很強的學(xué)科，其相關(guān)研究內(nèi)容和技術(shù)具有高度融合的特點?；谛路f、高效、業(yè)已成熟的基本器件及開發(fā)環(huán)境，SOPC使得測量和控制領(lǐng)域中直接面向應(yīng)用的研究更加現(xiàn)實、可行。依托于“強電磁場環(huán)境模擬與防護技術(shù)”國防科技重點實驗室，本文構(gòu)建了一個SOPC系統(tǒng)，定制了NiosII處理器軟核，進而完成了uClinux操作系統(tǒng)的剪裁與移植和應(yīng)用程序的基本開發(fā)、調(diào)試工作，并投入到了后續(xù)實驗之中。此外，這種方式不僅有助于大大縮短嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)時間，又為一般實驗條件下的相關(guān)控制系統(tǒng)提供了可行的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，并可望具有一定的學(xué)術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

5本文創(chuàng)新點

構(gòu)建了可移植uClinux的最小SOPC系統(tǒng)，并成功完成了uClinux的移植工作，縮短了SOPC系統(tǒng)的開發(fā)周期、拓展了uClinux的應(yīng)用領(lǐng)域。