基于μClinux的 SoPC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序四部分組成，其發(fā)展主要體現(xiàn)在芯片技術(shù)的進(jìn)步上，以及在芯片技術(shù)限制下的 算法與軟件的進(jìn)步上。隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了重大變革，從基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)到基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)，繼而將可 編程邏輯PLD(Programmable Logic Device)技術(shù)引入到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)而又發(fā)展到SoC(System on Chip)，最終將PLD與嵌入式處理器結(jié)合而成為SoPC(System on Programmable Chip)，使得SoPC成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
本文采用SoPC內(nèi)嵌32位的軟核處理器Nios，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)UART串行口和以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換器)，并基于Microtronix公司針對(duì)Nios處理器移植的μClinux開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序．其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。
                                           

1 基于SoPC的嵌入式硬件平臺(tái)構(gòu)建
不同于基于處理器或控制器及SoC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(diǎn)，不會(huì)包括任何專用外設(shè)，而是可根據(jù)需要靈活地在一片F(xiàn)PGA中構(gòu)造外設(shè)接口。
基于SoPC的嵌入式系統(tǒng)主要由1片核心芯片SoPC和片外器件，以及一些相關(guān)的接口設(shè)備組成。本文所要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換器采用Altera公司的Cyclone芯片及外圍電路組成，其中外圍電路包括2片512 KB的SRAM、l片8MB的Flash、UART電子轉(zhuǎn)換器和1片以太網(wǎng)控制器LAN91C111。系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。
                                  


SoPC 芯片內(nèi)嵌軟核處理器Nios。在SoPC芯片中，除了CPU外，可配片上ROM、內(nèi)部定時(shí)器、UART串行口、SRAM、Flash接口等系統(tǒng)部件。這些 部件均以可編程邏輯部件的形式實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。CPU和所有部件通過(guò)Avalon總線連接在一起。

                                           


SoPC 芯片內(nèi)系統(tǒng)模塊和Avalon總線模塊均由SoPCBuilder工具自動(dòng)生成，利用Qualtus II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)的邏輯設(shè)計(jì)及其引腳定義。經(jīng)編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過(guò)ByteBlasterII線纜下載到目標(biāo)板的 Cyclone芯片中，或?qū)?sof文件轉(zhuǎn)換成.flash文件，下載到目標(biāo)板的Flash中。這樣就完成了轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)。


2 基于μClinux的SoPC應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)
應(yīng) 用程序的開(kāi)發(fā)可在硬件平臺(tái)上直接進(jìn)行，但需了解所有硬件部件的細(xì)節(jié)，并編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)子程序，其軟件設(shè)計(jì)難度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操作系 統(tǒng)的應(yīng)用程序，其所有的硬件細(xì)節(jié)均對(duì)用戶屏蔽。對(duì)硬件進(jìn)行直接控制的底層驅(qū)動(dòng)程序均封裝在操作系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口來(lái)完成，用戶只需在高層通過(guò)操 作系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行編程。μClinux是針對(duì)控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，適合如Nios處理器等不具備內(nèi)存管理單元(MMU)的微處 理器／微控制器?；诓僮飨到y(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需將操作系統(tǒng)加載到硬件平臺(tái)中，μClinux可以以部件的形式集成到SoPC系統(tǒng)中。
2.1 加載μClinux系統(tǒng)的步驟
將 μClinux加載到SoPC目標(biāo)板上時(shí)需提供一個(gè)交叉編譯環(huán)境，硬件要求具有一個(gè)串口的PC工作站、基于Nios處理器的SoPC目標(biāo)板和 ByteBlasterMV線纜等。軟件需求WindowsNTv4.0、Windows2000或WindowsXP、Altera Nios開(kāi)發(fā)包NDK 3.0中所提供的Nios GNUPro工具、Ahera Nios開(kāi)發(fā)包所提供的cygwin安裝，以及Quartus II可編程邏輯開(kāi)發(fā)工具V2.2等。
2.1.1 創(chuàng)建和裝載內(nèi)核映像
創(chuàng)建和裝載μClinux映像文件在Linux DeveloperBash環(huán)境下進(jìn)行，首先需按下列步驟配置和構(gòu)建內(nèi)核。
[Linux Developer]…μClinux／：cd linux
[Linux Developer]…linux／：make xconfig
[Linux Developer]…linux／：make clean
[Linux Developer]…1inux／：make dep
[Linux Developer]…linux／：make
[Linux Developer]…μClinux／：make linux.flash
生成的linux.flash文件即為μClinux內(nèi)核映像。當(dāng)SoPC目標(biāo)板加電，片內(nèi)ROM中的GERMS監(jiān)控程序運(yùn)行后，在[Linux Developer]…μClinux／：下鍵入nios-runlinux.flash，即下載linux.flash文件到目標(biāo)板上，完成內(nèi)核映像的加載。
2.1.2創(chuàng)建和裝載根文件系統(tǒng)
除了裝載內(nèi)核外，還需裝載根文件系統(tǒng)。μClinux采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少空間。
在主機(jī)上Linux的target目錄表示在μClinux下的根(root)目錄。當(dāng)前的腳本和工具可將target目錄轉(zhuǎn)換成映像文件(romdisk.flash)，按如下步驟創(chuàng)建：
[Linux Developer]…μClinux／：make clean_target
[Linux Developer]…μClinux／：make romfs
然后鍵入以下命令：
[Linux Developer]…μClinux／：nios-run romdisk.flash
即將romdisk.flash文件下載到目標(biāo)板上，完成μClinux的根文件系統(tǒng)的加載。
2.1.3 加載應(yīng)用程序
用 戶應(yīng)用程序可通過(guò)target目錄加載到根文件系統(tǒng)中，可根據(jù)需要重建romdisk映像。應(yīng)用程序在userland目錄下，編譯生成運(yùn)行文件后拷貝到 target目錄樹(shù)中，并根據(jù)target目錄的內(nèi)容創(chuàng)建romdisk.flash文件。新建一個(gè)應(yīng)用程序，首先打開(kāi)一個(gè) LinuxDeveloperBash窗，在userland目錄中創(chuàng)建一個(gè)目錄app，應(yīng)用程序源文件存放在此目錄中，然后在 userland／app／中建立一個(gè)makefile文件。
Makefile內(nèi)容如下所示，其中appfile為應(yīng)用程序名。
STACKSlZE=8192
include..／..／Rules.mak
all：appfile.relocbflt
SOURCES=appfile.c
install：
$(ROMFSINST)appfile.reloebfh
$(ROMFSDIR)／bin／appfile$(EXECSUFFIX)
clean：
rm-f *.[iods]core appfile appfile.*elf appfile.*bflt
運(yùn) 行make對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編譯并修改userland／．eonfig和／userland／Makefile文件。在userland／．config 文件中，增加一行CONFIG_MY_APP=y，在userland／Makefile文件中，增加 dir_$(CONFIG_MY_APP)+=app，進(jìn)入userland子目錄，運(yùn)行make，即可將應(yīng)用程序安裝到userland／bin中，并 根據(jù)userland／．config文件中相應(yīng)變量的指示將應(yīng)用程序二進(jìn)制拷貝到target目錄中。
最后，鍵入以下命令重新構(gòu)建romdisk映像文件(romdisk.flash)，并下載到目標(biāo)板上。

[Linux Developer]…uClinux／：make clean_target

[Linux Developer]…uClinux／：make romfs

[Linux Developer]…uClinux／：nios-run romdisk.flash
2.1.4 運(yùn)行μClinux
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完成μClinux內(nèi)核及文件系統(tǒng)的裝載后，即可運(yùn)行μClinux。鍵入g800000(800000為啟動(dòng)代碼地址，在SoPC Builder中設(shè)置)，μClinux自動(dòng)完成初始化過(guò)程，用戶輸入登錄用戶名nios，密碼μClinux，出現(xiàn)μClinux的提示符#，表示已進(jìn)入μClinux運(yùn)行環(huán)境。
2.2 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)主要完成網(wǎng)絡(luò)接口和串行接口間的數(shù)據(jù)傳輸，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流如圖4所示。μClinux操作系統(tǒng)中提供了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和串口驅(qū)動(dòng)程序，并提供了多線程的支持。
                                


轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)中的串口收發(fā)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)口收發(fā)數(shù)據(jù)是異步進(jìn)行的，可分別作為一個(gè)任務(wù)來(lái)對(duì)待，任務(wù)間是并發(fā)的，因此可采用多線程程序設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間的并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。
                                         


在 此應(yīng)用系統(tǒng)中有4個(gè)任務(wù)，分別創(chuàng)建4個(gè)線程：網(wǎng)絡(luò)接收線程、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程、串口接收線程和串口發(fā)送線程。這4個(gè)線程可并發(fā)執(zhí)行．因網(wǎng)絡(luò)速度與串口速度存在 著差異，需設(shè)置相應(yīng)的緩沖區(qū)來(lái)對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。在此應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，如圖4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)，供存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)口接收的數(shù)據(jù)，然后串口從此緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)發(fā)送。另一緩沖區(qū)uartrv_netsd_bur用于接收串口數(shù)據(jù)，然后網(wǎng)絡(luò)口取出此緩沖 區(qū)中數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
線程間需實(shí)現(xiàn)相互通信和同步，共用緩沖區(qū)既要互斥執(zhí)行又要同步執(zhí)行，其操作遵循生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型。線程間的互斥操作采用互斥鎖(mu-tex)來(lái)實(shí)現(xiàn)。線程間的同步通過(guò)設(shè)置兩個(gè)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是讀指針，另一個(gè)是寫(xiě)指針，寫(xiě)指針指向隊(duì)頭，初
始化為0，讀指針指向隊(duì)尾，初始化為BUFSIZE-1。當(dāng)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，比較讀寫(xiě)指針是否相等，相同則寫(xiě)線程阻塞；不相等，則寫(xiě)入數(shù)據(jù)，然后將寫(xiě)指針加1。當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)，讀指針加1，然后比較讀寫(xiě)指針是否相等，相等則讀線程阻塞；不相等，則讀出數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程(流程圖如圖6所示)和串口接收線程(流程圖如圖7所示)間共用環(huán)形緩沖區(qū)uartrv_netsd_buf。串口發(fā)送線程和網(wǎng)絡(luò)接收線程共用環(huán)形緩沖區(qū)netrv_uartsd_buf。兩線程間的關(guān)系和處理類似網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程和串口接收線程。
                                         



3 系統(tǒng)測(cè)試
完成轉(zhuǎn)換器的軟硬件設(shè)計(jì)后，按如圖8所示，連接系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的傳輸測(cè)試。在PC機(jī)A上運(yùn)行串口收發(fā)程序，而在PC機(jī)B上運(yùn)行以太網(wǎng)收發(fā)程序，經(jīng)測(cè)試后數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤。