基于μClinux的 SoPC應用系統(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內嵌32位的軟核處理器Nios，實現(xiàn)了一個UART串行口和以太網接口的轉換器(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F(xiàn)PGA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片以太網控制器LAN91C111。系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。
                                  


SoPC 芯片內嵌軟核處理器Nios。在SoPC芯片中，除了CPU外，可配片上ROM、內部定時器、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)芯片內的邏輯設計及其引腳定義。經編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過ByteBlasterII線纜下載到目標板的 Cyclone芯片中，或將.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)，并編寫相應的驅動子程序，其軟件設計難度及工作量大，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動程序均封裝在操作系統(tǒng)內，通過設備驅動程序接口來完成，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內核映像。當SoPC目標板加電，片內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
[!--empirenews.page--]
完成μClinux內核及文件系統(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)中提供了網絡驅動程序和串口驅動程序，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。
                                         


在 此應用系統(tǒng)中有4個任務，分別創(chuàng)建4個線程：網絡接收線程、網絡發(fā)送線程、串口接收線程和串口發(fā)送線程。這4個線程可并發(fā)執(zhí)行．因網絡速度與串口速度存在 著差異，需設置相應的緩沖區(qū)來對收發(fā)數(shù)據(jù)進行緩沖。在此應用系統(tǒng)中設置兩個環(huán)形緩沖區(qū)，如圖4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收網絡數(shù) 據(jù)，供存儲從網絡口接收的數(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)，然后網絡口取出此緩沖 區(qū)中數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
線程間需實現(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，其操作遵循生產者和消費者模型。線程間的互斥操作采用互斥鎖(mu-tex)來實現(xiàn)。線程間的同步通過設置兩個指針來實現(xiàn)，一個是讀指針，另一個是寫指針，寫指針指向隊頭，初
始化為0，讀指針指向隊尾，初始化為BUFSIZE-1。當寫數(shù)據(jù)時，比較讀寫指針是否相等，相同則寫線程阻塞；不相等，則寫入數(shù)據(jù)，然后將寫指針加1。當讀數(shù)據(jù)時，讀指針加1，然后比較讀寫指針是否相等，相等則讀線程阻塞；不相等，則讀出數(shù)據(jù)。

網絡發(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)送線程和網絡接收線程共用環(huán)形緩沖區(qū)netrv_uartsd_buf。兩線程間的關系和處理類似網絡發(fā)送線程和串口接收線程。
                                         



3 系統(tǒng)測試
完成轉換器的軟硬件設計后，按如圖8所示，連接系統(tǒng)進行轉換器數(shù)據(jù)的傳輸測試。在PC機A上運行串口收發(fā)程序，而在PC機B上運行以太網收發(fā)程序，經測試后數(shù)據(jù)傳輸無誤。