基于Nios II的RTEMS嵌入式開發(fā)模式的搭建

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式科技得到更為廣泛的應用，其中FPGA和嵌入式操作系統(tǒng)的組合前景良好，它們的應用極大的改變了嵌入式開發(fā)的效率。為使得Nios II軟核和RTEMS嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，首先介紹了Nios II的軟件開發(fā)環(huán)境，然后詳細闡述如何在Nios II平臺下搭建RTEMS嵌入式開發(fā)環(huán)境。

1.引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式技術(shù)逐漸成為計算機技術(shù)的一個重要分支。由于嵌入式產(chǎn)品所運用場合多種多樣，不同應用場景對嵌入式實時響應、成本都有著不同的需求。嵌入式開發(fā)涉及硬件和軟件設計，其中硬件開發(fā)包括板級開發(fā)；而軟件開發(fā)則需要在硬件開發(fā)完成后才能開始，且與硬件有著緊密的關(guān)系。但FPGA的出現(xiàn)將徹底改變傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)模式，使得嵌入式開發(fā)工程師可以像PC端軟件開發(fā)一樣開發(fā)嵌入式軟件，降低嵌入式開發(fā)的成本。

RTEMS（Real - Time Executivefor Multiprocessor Systems）是一個開放源代碼的實時嵌入式操作系統(tǒng)，對各類主流的嵌入式平臺都有良好的支持，同時其也有著良好的開發(fā)軟件。目前無論是航空航天、軍工，還是民用領(lǐng)域RTEMS都有著極為廣泛的應用。

Nios II由美國Altera公司推出的基于Nios的第二代32位RISC軟核，基于FPGA平臺，其性能可達200MIPS，是一款可定制的高性能嵌入式軟核，配合Altera官方提供的開發(fā)者套件，嵌入式工程師可以快捷、高效的進行硬件、軟件的開發(fā)。

2.基于Nios II的SOPC開發(fā)環(huán)境

2.1 Altera SOPC Builder

SOPC Builder是一個全自動的SOPC硬件開發(fā)環(huán)境，設計者可以通過Altera提供的IP宏選擇適合自己應用的外圍功能模塊，并進行內(nèi)存基地址的分配、中斷請求線和內(nèi)部總線的適配。與此同時，還可以通過HDL文件來自定義外設模塊，比如DM9000A以太網(wǎng)控制器。SOPCBuilder使得可以在短暫的時間內(nèi)完成一個完整的硬件開發(fā)系統(tǒng)。

2.2 SOPC硬件系統(tǒng)

通過Altera提供的Quartus II和SOPCBuilder可以快速自定應硬件系統(tǒng)，圖1是針對Altera颶風III代EP3C16Q器件定制的硬件系統(tǒng)nios2rtems示例圖。


圖1 nios2rtems示例圖

硬件系統(tǒng)nios2rtems采用Nios II快速型軟核，為加快其運行速率，系統(tǒng)時鐘為100MHz，外圍模塊有jtag-uart、sdram、epcsflash、interval timer等，使用Avalon總線作為數(shù)據(jù)及控制總線。

2.3 SOPC軟件系統(tǒng)

通過使用Nios II IDE添加軟件工程，編譯即可生成與硬件相關(guān)聯(lián)的描述性文件，其中最為重要的是system.h文件以及HAL驅(qū)動。

system.h文件提供nios2rtems硬件的描述，包含各個模塊的基址、模塊所使用的中斷號和中斷優(yōu)先級及外設模塊的符號名。它同SOPCBuilder提供的各個外設模塊的寄存器描述構(gòu)成了HAL庫的基礎，同時也是驅(qū)動開發(fā)的基礎。而HAL作為硬件抽象層，通過函數(shù)封裝為上層應用提供統(tǒng)一的調(diào)用API接口。

3.RTEMS開發(fā)環(huán)境搭建

3.1 Nios II交叉編譯工具

有兩種方式完成交叉編譯工具的安裝，其一是通過官方提供的定制腳本來安裝；其二就是通過獲得各個組件的源代碼、補丁來手動編譯安裝。由于手動編譯安裝可能由于某個版本的錯誤選擇而使得編譯失敗，這里我們采用定制腳本來進行安裝。

3.1.1設置

為獲得支持Nios II平臺的嵌入式開發(fā)環(huán)境，需要準備工具包的源碼和定制腳本，以及工程目錄。

首先，為nios2rtems設置工作目錄：

mkdir-p nios2rtems/rtems/src

然后，獲得RTEMS源碼構(gòu)建套件，其大部分是由python所寫的腳本文件。由于托管在git倉庫，所以必須有g(shù)it工具并通過下面代碼獲得工具套件源碼：

＄git clone git://git.rtems.org/rtemssource-builder.git

3.1.2檢查

RTEMS源碼構(gòu)建套件為檢查編譯環(huán)境是否已經(jīng)就緒提供了相應的工具sb-check：

＄source-builder/sb-check

RTEMS Source Builder environment is ok

顯示編譯環(huán)境已經(jīng)準備就緒3.1.3編譯

源碼構(gòu)建套件中提供了若干平臺的支持，在編譯之前可以通過sb-set-builder命令的list-bsets選項查看其支持的平臺。

＄/source-builder/sb-set-builder-list-bsets

…

4.10/rtems-nios2.bset

4.11/rtems-nios2.bset

…

從輸出結(jié)果可以知道，RTEMS在4.10版本就已經(jīng)支持nios2平臺了，這里我們選擇最新的4.11版本。通過如下命令可以開啟nios2平臺的交叉編譯工具的構(gòu)建：

＄sb-set-builder-log=l-nios2.txt-prefix=＄HOME/nios2rtems/rtems/4.114.11/rtems-sparc由于構(gòu)建過程中需要對所缺文件進行在線的下載，整個過程可能持續(xù)非常長在＄HOME/nios2rtems/rtems/4.11目錄下的bin/文件夾下可以看到已安裝的nios2-rtems4.11-gcc等工具。

3.2 BSP支持包構(gòu)建

3.2.1 RTEMS BSP結(jié)構(gòu)

RTEMS下關(guān)于nios2平臺的主要部分有：第一，CPU相關(guān)，該部分包含和CPU功能相關(guān)的代碼，主要涉及CPU上下文切換以及CPU中斷異常處理等代碼；第二，外設相關(guān)，該部分包含外設硬件的寄存器信息等和CPU內(nèi)部功能相關(guān)功能代碼；第三，BSP相關(guān)，該部分包含硬件系統(tǒng)中外設相關(guān)代碼，例如console、timer以及硬件初始化等[5].

3.2.2 Nios II BSP構(gòu)建

Nios II的驅(qū)動實現(xiàn)較為簡單，對硬件的操作主要涉及對外設硬件所在地址的讀寫操作[6].

在RTEMS中添加Nios II支持可以分為以下三個步驟。

首先，構(gòu)建cpu對Nios II支持，主要是提供CPU進程上下文切換和中斷異常處理相關(guān)代碼，具體需要實現(xiàn)以下功能：

1）_CPU_Context_switch（）以及_CPU_Context_restore（），函數(shù)主要功能用于保存和恢復當前上下文相關(guān)的寄存器值。

2）_exception_vector（），處理CPU異常函數(shù)，用于檢查硬件當前狀態(tài)，并根據(jù)異常類型跳轉(zhuǎn)至異常處理服務程序或者中斷處理程序中。

3）_Exception_Handler（），異常處理服務程序。

4）_ISR_Handler（），中斷服務程序。

5）其它輔助函數(shù)，例如中斷注冊、使能及禁止中斷等功能。

其次，添加外設對Nios II支持，主要是提供與CPU異常等相關(guān)的代碼，具體需要實現(xiàn)以下功能：

1）中斷的管理，包括中斷的注冊、中斷使能以及中斷禁止等功能，這是對cpu的進一步封裝（可選）。

2）Timer和Clock的等驅(qū)動服務程序。

3）外圍設備的寄存器相關(guān)信息，都可以在SOPC Builder中找到，例如jtag-uart的寄存器信息可在altera_avalon_jtag_uart_regs.h文件中找到，將所有外設的寄存器相關(guān)頭文件信息放入csrcliblibcpu目錄中。

4）添加其他可能需要的Cache操作相關(guān)代碼。

最后，添加BSP對Nios II支持，該部分以RTEMS中nios2_iss為模板，提供基本的驅(qū)動程序，一般包括以下基本內(nèi)容：

1）Clock驅(qū)動，Timer驅(qū)動，jtag-uart驅(qū)動。這一部分代碼涉及對底層硬件的讀寫操作，非常依賴于Nios2eds生成的system.h文件及相關(guān)寄存器頭文件。

2）start.S及bspstart.c，操作系統(tǒng)啟動文件。文件start.S包含RTEMS的啟動代碼，包括初始化處理器和單板，為之后的C程序運行提供棧空間，使之可以進入bspstart.c進一步初始化BSP.

3）其他外設驅(qū)動，網(wǎng)絡驅(qū)動，攝像頭驅(qū)動等都在此處添加。

3.2.3編譯下載

準備好Nios II的BSP之后既可以按照RTEMS官方提供的內(nèi)核編譯流程編譯，之后即可編譯鏈接用戶應用程序。通過命令行的nios2-download即可實現(xiàn)程序下載。

4.結(jié)論

本文首先介紹了如何使用Quartus II、SOPC Builder工具進行系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，并簡要分析NiosII硬件系統(tǒng)及其軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。接著詳細講述如何為RTEMS構(gòu)建支持NiosII的板級支持包以及使用Nios2eds進行應用軟件的開發(fā)。全文從底層硬件到上層軟件，詳細描述了如何為基于NiosII軟核構(gòu)建基于RTEMS的板級支持包。本文同時給出了基于Nios II軟核的RTEMS移植方法和實驗平臺構(gòu)建的一般方法。