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(chǎng)可編程門(mén)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(gè)新興的技術(shù)方向。SOPC融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)的功能。其核心是在FPGA上實(shí)現(xiàn)的嵌入式微處理器核，而如何針對(duì)特定的微處理器選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)是SOPC開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)之一。本文針對(duì)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(dòng)方案。

1 基于MicroBlaze處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 MicroBlaze處理器簡(jiǎn)介
    MicroBlaze軟核處理器是一種針對(duì)Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強(qiáng)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(xiàn)，支持CoreConnect片上總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)計(jì)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?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍，其最精簡(jiǎn)的核只需要將近400個(gè)Slice。
    MicroBlaze的CoreConnect總線(xiàn)、它能夠?qū)PGA內(nèi)各種不同的IP核連接到一起構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。CoreConnect總線(xiàn)是一個(gè)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的集合，它包括PLB總線(xiàn)(Processor Local Bus，處理器本地總線(xiàn))，LMB總線(xiàn)(Local Memory Bus，高速本地存儲(chǔ)器總線(xiàn))，F(xiàn)SL(Fast Simplex Link，快速單連接)總線(xiàn)，以及XCL(Xilinx CacheLink)總線(xiàn)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(kāi)發(fā)板上構(gòu)建一個(gè)以MicroBlaze處理器為中心的嵌入式信號(hào)處理系統(tǒng)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總線(xiàn)架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(gè)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(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字接收機(jī)下變頻功能，這些外設(shè)通過(guò)PLB總線(xiàn)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(guò)FSL總線(xiàn)與Micr-oBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸；DDR通過(guò)XCL總線(xiàn)與MicroBlaze處理器相連，實(shí)現(xiàn)了MicroBlaze處理器對(duì)片外存儲(chǔ)器的高速訪問(wèn)。
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(zhuān)門(mén)針對(duì)FPGA的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)套件，在滿(mǎn)足應(yīng)用工程的邏輯編程能力和對(duì)嵌入式Linux要求的同時(shí)，可極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。PetaLinux作為專(zhuān)門(mén)針對(duì)于Xilinx FPGA的嵌入式Linux解決方案，不但提供了專(zhuān)門(mén)的BSP生成器，而且提供了眾多的參考設(shè)計(jì)，可以幫助設(shè)計(jì)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(dòng)，比如XilinxUSB、SysACE、FSL總線(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、10／100／1000M三態(tài)以太網(wǎng)MAC等。這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)極大地減輕了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的工作量，縮短了產(chǎn)品開(kāi)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(duì)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(kāi)發(fā)一般采用交叉編譯的方法，即在宿主機(jī)上對(duì)內(nèi)核和應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，生成目標(biāo)機(jī)處理器可執(zhí)行的二進(jìn)制位流文件，將此文件下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。PetaLinux針對(duì)MicroBlaze處理器建立了交叉編譯器，運(yùn)行source．／settings．sh腳本，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立交叉環(huán)境。[!--empirenews.page--]
2．2 建立硬件平臺(tái)
    PetaLinux為每個(gè)應(yīng)用工程建立一個(gè)文件夾，里面保存該工程的硬件配置。在移植PetaLinux時(shí)，只需選擇相應(yīng)的硬件平臺(tái)，內(nèi)核就會(huì)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(tái)，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(xiàng)。硬件平臺(tái)建立起來(lái)后，運(yùn)行make menuconfig命令，在Vendor／Product Seletion選項(xiàng)中，選擇該硬件平臺(tái)。
    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(shí)別的格式。在工程文件夾下運(yùn)行PetaLinux-copy-autoconfig命令，自動(dòng)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(dòng)
    本系統(tǒng)自定義了IP核，因此必須開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序并將其添加到PetaLinux配置中。添加自定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要步驟如下：
    ①在平臺(tái)配置目錄下Makefile文件中添加語(yǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)程序所在目錄下的Kconfig文件，使配置內(nèi)核時(shí)可以選擇該設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并添加以下語(yǔ)句：

    通過(guò)以上文件的修改，就可以在配置PetaLinux內(nèi)核時(shí)選擇自定義的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
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(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改、裁減、編譯，最終移植到一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中。運(yùn)行圖形編輯工具make menuc-onfig命令，對(duì)內(nèi)核和系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行配置。
    在內(nèi)核配置的設(shè)備驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)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(dòng)，否則內(nèi)核編譯時(shí)就會(huì)出錯(cuò)。針對(duì)本系統(tǒng)的硬件配置，主要配置以下幾項(xiàng)驅(qū)動(dòng)：
    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(jìn)入FSL Channel Selection，選擇FIFO on FSLO，并選擇自添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(xiàng)中，默認(rèn)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(jìn)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(biāo)系統(tǒng)的不同靈活配置，配置完成后保存退出，自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)環(huán)境配置菜單。系統(tǒng)環(huán)境配置是對(duì)Peta-Linux的屬性、命令進(jìn)行配置，主要有以下幾個(gè)選項(xiàng)：
    ①[System Settings]系統(tǒng)設(shè)置。配置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址、默認(rèn)用戶(hù)名、默認(rèn)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(shí)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(lài)關(guān)系，清除舊的文件，編譯內(nèi)核，生成內(nèi)核image。

3 PetaLinux啟動(dòng)方案
    經(jīng)過(guò)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(dòng)方案：XMD下載啟動(dòng)、TFTP網(wǎng)絡(luò)下載啟動(dòng)、Flash啟動(dòng)和SysACE CF卡啟動(dòng)。其中，XMD和TFTP網(wǎng)絡(luò)下載啟動(dòng)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(dòng)方案在系統(tǒng)上電后自動(dòng)從Flash中讀取配置文件，但Flash燒寫(xiě)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(dòng)方案。
    使用SysACE CF卡啟動(dòng)PetaLinux，先將硬件比特流文件和image．elf制作成ACE文件，再?gòu)?fù)制到CF卡中，配置CF卡啟動(dòng)PetaLinux。制作ACE文件，可在EDKShell窗口運(yùn)行命令：
    xmd-tcl genace．tcl(命令工具)
    -jprog-board m1402(所需的開(kāi)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(kāi)發(fā)板的ACE文件就生成了。
    Linux運(yùn)行需要根文件系統(tǒng)的支持，啟動(dòng)時(shí)必須加載文件系統(tǒng)以支持系統(tǒng)的運(yùn)行，而image．elf中不包含文件系統(tǒng)。因此，使用SysACE CF卡啟動(dòng)時(shí)必須手動(dòng)加載文件系統(tǒng)。在編譯PetaLinux內(nèi)核時(shí)，已經(jīng)生成了以romfs文件夾為名稱(chēng)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(yùn)行命令fdisk／dev／sda把CF卡分成3個(gè)區(qū)。第1分區(qū)存放system．a(chǎn)ce文件，第2分區(qū)為L(zhǎng)inux 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(yùn)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(rèn)的ext2，普通用戶(hù)，能掛載，不轉(zhuǎn)儲(chǔ)，啟動(dòng)時(shí)不掃描文件系統(tǒng)。通過(guò)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(gè)分區(qū)。
    ④Linux下格式化第2分區(qū)為交換分區(qū)，運(yùn)行命令mkswap／dev／sda2。
    一切準(zhǔn)備就緒后，插入CF卡，開(kāi)啟電源，就可以從CF卡啟動(dòng)PetaLinux。

結(jié)語(yǔ)
    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(xì)討論了其內(nèi)核配置和啟動(dòng)方案。通過(guò)移植Peta-Linux，本文開(kāi)發(fā)的SOPC可以直接用于實(shí)際工程。該嵌入式操作系統(tǒng)移植快速、簡(jiǎn)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(shí)用價(jià)值。
    本文創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了PetaLinux在MicroBlaze處理器的移植，并成功實(shí)現(xiàn)PetaLinux中自定義硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)的添加和SysACE CF卡的啟動(dòng)方案。