智能命令行在SOPC系統(tǒng)中的設計

命令行是計算機系統(tǒng)中最重要的組件之一。它可以幫助開發(fā)人員更方便的控制系統(tǒng)。在調試過程中，可以讓開發(fā)人員隨時變更測試方法。

　　FPGA的成本越來越低，FPGA上的嵌入式系統(tǒng)(SOPC)也應用得越來越廣泛。但是相對其他成熟的計算機體系，SOPC系統(tǒng)現在還沒有命令行。為了更好的推廣SOPC應用，筆者開發(fā)了一個智能的命令行模塊，可以調用系統(tǒng)中的任意函數，降低了開發(fā)人員的使用難度。在最小配置時，它只有大約1000行代碼，占用14KB存儲容量，可以放在完全由FPGA片內資源構成的計算機系統(tǒng)中。它的結構也具有很好的擴展性，開發(fā)人員可以結合自己的需求，輕松添加命令，豐富它的特性。

　　命令行框架設計

　　1 總體設計

　　好的命令行要具有擴展性，開發(fā)人員能輕松添加自己的命令;也要傻瓜化，簡單易于使用。

　　為了達到這兩個目的，可采用編譯器創(chuàng)建的數組作為命令的總索引數據結構。為每條命令創(chuàng)建一個變量，指定它放在一個命令行專用的段中;其中用段“shell_cmd_tab”存放用戶主動創(chuàng)建的命令;用段“shell_cmd_tab_auto”存放系統(tǒng)中所有全局函數。創(chuàng)建變量只需調用宏SHELL_CMD_DECL，提供命令名、命令說明和函數名即可。這樣就可以實現C語言函數、變量、段、內存區(qū)域的自動映射過程。

　　命令的數據結構如下。

　　typedef struct _ncommand_t {

　　const char *name;

　　const char *descr;

　　shell_st_call cfunc;

　　} ncommand_t;

　　為了簡化命令的創(chuàng)建，定義下面這個宏來創(chuàng)建命令。

　　#define SHELL_CMD_DECL(name, usage, func) ncommand_t _shell_cmd_tab_##func _attribute_ ( (section( “.shell_cmd_tab”) ) )={ name, usage, func }; // small memory version

　　創(chuàng)建命令的實例如下：SHELL_CMD_DECL(“dump”, “Shows a memory dump”, hexdump);

　　2 連接腳本

　　在連接腳本里指定段的位置是簡化命令行使用流程的關鍵。GCC使用PROVIDE定義變量。筆者使用PROVIDE定義了各個段的起始地址和結束地址，從而可以在代碼中使用段地址查詢到所有命令。在編譯器使用的連接腳本中添加如下行定義函數表。

　　.shell :

　　{

　　PROVIDE (__ram_shell_start = ABSOLUTE(.));

　　. = ALIGN(32 / 8);

　　PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_begin = ABSOLUTE(.));

　　*(.shell_cmd_tab .shell_cmd_tab.*)

　　PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_end = ABSOLUTE(.));

　　PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_begin = ABSOLUTE(.));

　　*(.shell_cmd_tab_auto .shell_cmd_tab_auto.*)

　　PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_end = ABSOLUTE(.));

　　*(.shell .shell.*)

　　. = ALIGN(32 / 8);

　　PROVIDE (__ram_shell_end = ABSOLUTE(.));

　　} > ddr_sdram[!--empirenews.page--]3 動態(tài)函數表創(chuàng)建

　　由工具自動根據系統(tǒng)中的全局函數創(chuàng)建的命令被稱為自動命令。自動命令使用戶可以在命令行中調用任意普通函數，即使開發(fā)人員沒有聲明這些函數為命令。自動命令也需要一個數組包含系統(tǒng)中所有全局函數的信息，這個表為動態(tài)函數表。使用一個腳本根據系統(tǒng)的可執(zhí)行文件自動生成動態(tài)函數表。要先編譯軟件，生成可執(zhí)行文件;再調用腳本創(chuàng)建動態(tài)函數表;最后再編譯出包含動態(tài)函數表的可執(zhí)行文件。

　　在腳本中先使用GNU的nm工具從可執(zhí)行文件導出所有全局符號，再使用grep提取出包括函數名的行，接著使用cut刪除函數名前的地址信息，使用sed將字符T替換為創(chuàng)建命令的宏SHELL_CMD_DECL_AUTO，并在行尾添加括號。最后將所有這些信息寫入一個C源代碼文件，交給編譯器編譯，就能得到一個動態(tài)函數表。

　　4 自動命令參數個數

　　為了便于開發(fā)人員使用，自動命令最好能適應所有函數類型，假設都是unsigned int的函數類型。對于可以成功轉化為unsigned int類型整數的參數，將真實的值傳遞給函數;對于其他參數，則將參數作為一個字符串傳遞給函數。

　　5 字符輸入

　　命令行從標準輸入設備中獲取字符。命令行只接受可打印的字符和特定的控制字符。如果收到了回車或者換行字符，代表用戶完成了命令輸入，就解析命令。解析命令前，去掉多余的空格符(0x20)，即不允許有連續(xù)的兩個或多個空格符存在，命令的最后也不能有空格符。

　　6 參數解析

　　命令行模塊要從用戶輸入的字符串中解析出命令名和參數。為命令提供與DOS和Linux類似的兩個參數，argc和argv。argc表示參數的個數;argv是字符串指針的數組，最多10個字符串。argv[0]是第一個參數，argv[1]是第二個參數，如此類推。

　　7 函數解析

　　在代碼中使用SHELL_CMD_DECL創(chuàng)建了命令列表，使用工具創(chuàng)建了自動命令列表。這兩個表實際上都是數據結構ncommand_t的數組，其中有命令名和函數地址的信息。解析函數實際上就是根據在這兩個數組中依次比較函數名。如果用戶輸入的命令名和數組中的命令名一致，就使用對應的函數地址。

　　8 命令執(zhí)行

　　得到函數地址后，就可以執(zhí)行命令對應的函數。對于主動創(chuàng)建的命令，使用argc和argv作為參數。對于自動命令，命令行模塊先嘗試將原始參數轉換無符號整數。如果成功，使用無符號整數作為參數;如果不成功，則將原始參數的地址作為參數，實際上是一個字符串。

　　命令設計

　　完成總體設計后，就可以逐個添加開發(fā)需要的命令了。

　　● 幫助命令用于顯示所有命令名及其用法。

　　● IO命令用來訪問輸入輸出設備的寄存器，可以實現對外部設備的控制。

　　● 存儲器命令用來顯示、修改存儲器的值。最基本的包括：dump命令顯示指定位置的內存的值;modify命令用來修改指定內存單元的值。

　　● 用戶在使用過程中，會使用很多命令。能夠查詢歷史命令、循環(huán)執(zhí)行歷史命令將給用戶帶來很多方便。因此筆者實現了三條命令。history_show用來顯示所有已經使用了的命令;history_del用來刪除指定的歷史命令;history_exec用來執(zhí)行指定的歷史命令。

　　優(yōu)化處理

　　Altera提供了簡化版的輸出函數alt_printf來替代printf，降低了嵌入式系統(tǒng)的開銷，筆者在命令行中也支持這個這個函數。命令行的代碼中，只調用SHELL_PRINT;在頭文件中，根據用戶設置，SHELL_PRINT使用標準的printf或者簡化的alt_printf。如果使用簡化的alt_printf，這個命令行占用的內存小于14KB。

　　在SOPC系統(tǒng)中的應用

　　Altera為SOPC系統(tǒng)開發(fā)提供的集成開發(fā)環(huán)境NIOS II IDE附帶了多個軟件實例。在使用這些軟件實例時，用戶只需要選擇模塊，完全不用新編代碼，非常簡單。

　　智能命令行模塊也可以作為NIOS II IDE的一個實例。先在“nios2edsexamplessoftware”目錄下為命令行創(chuàng)建一個子目錄shell_standard，再以其他軟件實例的template.xml為模板創(chuàng)為命令行建一個template.xml文件，然后復制命令行模塊的所有文件到這個目錄中。這樣，用戶在創(chuàng)建工程時，直接選中智能命令行模板，就可以使用智能命令行模塊了。