基于nios和μClinux的嵌入式系統(tǒng)設計

    嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序四部分組成，其發(fā)展主要體現(xiàn)在芯片技術的進步上，以及在芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。

　　隨著芯片制造技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的結構也隨之發(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)技術引入到嵌入式系統(tǒng)設計中，進而又發(fā)展到soc(system on chip)，最終將pld與嵌入式處理器結合而成為sopc(system on programmable chip)，使得sopc成為嵌入式系統(tǒng)設計的一個發(fā)展趨勢。

　　本文采用sopc內(nèi)嵌32位的軟核處理器nios，實現(xiàn)了一個uart串行口和以太網(wǎng)接口的轉換器(以下簡稱轉換器)，并基于microtronix公司針對nios處理器移植的μClinux開發(fā)了應用程序．其系統(tǒng)結構如圖l所示。

　　1 基于sopc的嵌入式硬件平臺構建

　　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，不會包括任何專用外設，而是可根據(jù)需要靈活地在一片fpga中構造外設接口。

　　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，以及一些相關的接口設備組成。本文所要實現(xiàn)的轉換器采用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現(xiàn)，芯片內(nèi)部部件結構圖如圖3所示。cpu和所有部件通過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工具自動生成，利用qualtus ii集成開發(fā)環(huán)境可實現(xiàn)芯片內(nèi)的邏輯設計及其引腳定義。經(jīng)編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過byteblasterii線纜下載到目標板的cyclone芯片中，或?qū)?sof文件轉換成.flash文件，下載到目標板的flash中。這樣就完成了轉換器的硬件設計。

　　2 基于μclinux的sopc應用程序開發(fā)

　　應用程序的開發(fā)可在硬件平臺上直接進行，但需了解所有硬件部件的細節(jié)，并編寫相應的驅(qū)動子程序，其軟件設計難

度及工作量大，且可移植性差?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)的應用程序，其所有的硬件細節(jié)均對用戶屏蔽。對硬件進行直接控制的底層驅(qū)動程序均封裝在操作系統(tǒng)內(nèi)，通過設備驅(qū)動程序接口來完成，用戶只需在高層通過操作系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)調(diào)用進行編程。μclinux是針對控制領域的嵌入式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)進行開發(fā)，需將操作系統(tǒng)加載到硬件平臺中，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目標板上時需提供一個交叉編譯環(huán)境，硬件要求具有一個串口的pc工作站、基于nios處理器的sopc目標板和byteblastermv線纜等。軟件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios開發(fā)包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios開發(fā)包所提供的cygwin安裝，以及quartus ii可編程邏輯開發(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)境下進行，首先需按下列步驟配置和構建內(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sopc目標板加電，片內(nèi)rom中的germs監(jiān)控程序運行后，在[linux developer]…μclinux／：下鍵入nios-runlinux.flash，即下載linux.flash文件到目標板上，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)相對于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少空間。

　　在主機上linux的target目錄表示在μclinux下的根(root)目錄。當前的腳本和工具可將target目錄轉換成映像文件(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文件下載到目標板上，完成μclinux的根文件系統(tǒng)的加載。

　　2.1.3 加載應用程序

　　用戶應用程序可通過target目錄加載到根文件系統(tǒng)中，可根據(jù)需要重建romdisk映像。應用程序在userland目錄下，編譯生成運行文件后拷貝到target目錄樹中，并根據(jù)target目錄的內(nèi)容創(chuàng)建romdisk.flash文件。新建一個應用程序，首先打開一個linuxdeveloperbash窗，在userland目錄中創(chuàng)建一個目錄app，應用程序源文件存放在此目錄中，然后在userland／app／中建立一個makefile文件。

　　    makefile內(nèi)容如下所示，其中appfile為應用程序名。
    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

　　運行make對應用程序進行編譯并修改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，進入userland子目錄，運行make，即可將應用程序安裝到userland／bin中，并根據(jù)userland／．config文件中相應變量的指示將應用程序二進制拷貝到target目錄中。

　　最后，鍵入以下命令重新構建romdisk映像文件(romdisk.flash)，并下載到目標板上。

　　    [linux developer]…uclinux／：make clean_target

　　    [linux developer]…uclinux／：make romfs

　　    [linux developer]…uclinux／：nios-run romdisk.flash

　　2.1.4 運行μclinux

　　完成μclinux內(nèi)核及文件系統(tǒng)的裝載后，即可運行μclinux。鍵入g800000(800000為啟動代碼地址，在sopc builder中設置)，μclinux自動完成初始化過程，用戶輸入登錄用戶名nios，密碼μclinux，出現(xiàn)μclinux的提示符#，表示已進入μclinux運行環(huán)境。

　　2.2 轉換器應用程序的實現(xiàn)

　　轉換器應用系統(tǒng)主要完成網(wǎng)絡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)絡驅(qū)動程序和串口驅(qū)動程序，并提供了多線程的支持。

　　轉換器應用系統(tǒng)中的串口收發(fā)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡口收發(fā)數(shù)據(jù)是異步進行的，可分別作為一個任務來對待，任務間是并發(fā)的，因此可采用多線程程序設計技術來實現(xiàn)多任務間的并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。