基于μClinux的SoPC应用系统设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成,其发展主要体现在芯片技术的进步上,以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。随着芯片制造技术的发展,嵌入式系统的结构也随之发生了重大变革,从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统,继而将可编程逻辑PLD(Programmable Logic Device)技术引入到嵌入式系统设计中,进而又发展到SoC(System on Chip),最终将PLD与嵌入式处理器结合而成为SoPC(System on Programmable Chip),使得SoPC成为嵌入式系统设计的一个发展趋势。 本文采用SoPC内嵌32位的软核处理器Nios,实现了一个UART串行口和以太网接口的转换器(以下简称转换器),并基于Microtronix公司针对Nios处理器移植的μClinux开发了应用程序.其系统结构如图l所示。 1 基于SoPC的嵌入式硬件平台构建 不同于基于处理器或控制器及SoC的嵌入式系统,基于SoPC的嵌入式系统具有可配置的特点,不会包括任何专用外设,而是可根据需要灵活地在一片FPGA中构造外设接口。 基于SoPC的嵌入式系统主要由1片核心芯片SoPC和片外器件,以及一些相关的接口设备组成。本文所要实现的转换器采用Altera公司的Cyclone芯片及外围电路组成,其中外围电路包括2片512 KB的SRAM、l片8MB的Flash、UART电子转换器和1片以太网控制器LAN91C111。系统电路框图如图2所示。 SoPC芯片内嵌软核处理器Nios。在SoPC芯片中,除了CPU外,可配片上ROM、内部定时器、UART串行口、SRAM、Flash接口等系统部件。这些部件均以可编程逻辑部件的形式实现,芯片内部部件结构图如图3所示。CPU和所有部件通过Avalon总线连接在一起。 SoPC芯片内系统模块和Avalon总线模块均由SoPCBuilder工具自动生成,利用Qualtus II集成开发环境可实现芯片内的逻辑设计及其引脚定义。经编译生成后缀为.sof的硬件映像文件,通过ByteBlasterII线缆下载到目标板的Cyclone芯片中,或将.sof文件转换成.flash文件,下载到目标板的Flash中。这样就完成了转换器的硬件设计。 2 基于μClinux的SoPC应用程序开发 应用程序的开发可在硬件平台上直接进行,但需了解所有硬件部件的细节,并编写相应的驱动子程序,其软件设计难度及工作量大,且可移植性差。基于嵌入式操作系统的应用程序,其所有的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件进行直接控制的底层驱动程序均封装在操作系统内,通过设备驱动程序接口来完成,用户只需在高层通过操作系统所提供的系统调用进行编程。μClinux是针对控制领域的嵌入式Linux操作系统,适合如Nios处理器等不具备内存管理单元(MMU)的微处理器/微控制器。基于操作系统进行开发,需将操作系统加载到硬件平台中,μClinux可以以部件的形式集成到SoPC系统中。 2.1 加载μClinux系统的步骤 将μClinux加载到SoPC目标板上时需提供一个交叉编译环境,硬件要求具有一个串口的PC工作站、基于Nios处理器的SoPC目标板和ByteBlasterMV线缆等。软件需求WindowsNTv4.0、Windows2000或WindowsXP、Altera Nios开发包NDK 3.0中所提供的Nios GNUPro工具、Ahera Nios开发包所提供的cygwin安装,以及Quartus II可编程逻辑开发工具V2.2等。 2.1.1 创建和装载内核映像 创建和装载μClinux映像文件在Linux DeveloperBash环境下进行,首先需按下列步骤配置和构建内核。 [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文件即为μClinux内核映像。当SoPC目标板加电,片内ROM中的GERMS监控程序运行后,在[Linux Developer]…μClinux/:下键入nios-runlinux.flash,即下载linux.flash文件到目标板上,完成内核映像的加载。 2.1.2创建和装载根文件系统 除了装载内核外,还需装载根文件系统。μClinux采用romfs文件系统,这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少空间。 在主机上Linux的target目录表示在μClinux下的根(root)目录。当前的脚本和工具可将target目录转换成映像文件(romdisk.flash),按如下步骤创建: [Linux Developer]…μClinux/:make clean_target [Linux Developer]…μClinux/:make romfs 然后键入以下命令: [Linux Developer]…μClinux/:nios-run romdisk.flash 即将romdisk.flash文件下载到目标板上,完成μClinux的根文件系统的加载。 2.1.3 加载应用程序 用户应用程序可通过target目录加载到根文件系统中,可根据需要重建romdisk映像。应用程序在userland目录下,编译生成运行文件后拷贝到target目录树中,并根据target目录的内容创建romdisk.flash文件。新建一个应用程序,首先打开一个LinuxDeveloperBash窗,在userland目录中创建一个目录app,应用程序源文件存放在此目录中,然后在userland/app/中建立一个makefile文件。 Makefile内容如下所示,其中appfile为应用程序名。 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 运行make对应用程序进行编译并修改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,进入userland子目录,运行make,即可将应用程序安装到userland/bin中,并根据userland/.config文件中相应变量的指示将应用程序二进制拷贝到target目录中。 最后,键入以下命令重新构建romdisk映像文件(romdisk.flash),并下载到目标板上。 [Linux Developer]…uClinux/:make clean_target [Linux Developer]…uClinux/:make romfs [Linux Developer]…uClinux/:nios-run romdisk.flash 2.1.4 运行μClinux 完成μClinux内核及文件系统的装载后,即可运行μClinux。键入g800000(800000为启动代码地址,在SoPC Builder中设置),μClinux自动完成初始化过程,用户输入登录用户名nios,密码μClinux,出现μClinux的提示符#,表示已进入μClinux运行环境。 2.2 转换器应用程序的实现 转换器应用系统主要完成网络接口和串行接口间的数据传输,所传输的数据流如图4所示。μClinux操作系统中提供了网络驱动程序和串口驱动程序,并提供了多线程的支持。 转换器应用系统中的串口收发数据和网络口收发数据是异步进行的,可分别作为一个任务来对待,任务间是并发的,因此可采用多线程程序设计技术来实现多任务间的并发执行,系统主程序流程图如图5所示。 在此应用系统中有4个任务,分别创建4个线程:网络接收线程、网络发送线程、串口接收线程和串口发送线程。这4个线程可并发执行.因网络速度与串口速度存在着差异,需设置相应的缓冲区来对收发数据进行缓冲。在此应用系统中设置两个环形缓冲区,如图4所示,其中nctrv_uartsd_buf用于接收网络数据,供存储从网络口接收的数据,然后串口从此缓冲区中取出数据发送。另一缓冲区uartrv_netsd_bur用于接收串口数据,然后网络口取出此缓冲区中数据发送出去。 线程间需实现相互通信和同步,共用缓冲区既要互斥执行又要同步执行,其操作遵循生产者和消费者模型。线程间的互斥操作采用互斥锁(mu-tex)来实现。线程间的同步通过设置两个指针来实现,一个是读指针,另一个是写指针,写指针指向队头,初 始化为0,读指针指向队尾,初始化为BUFSIZE-1。当写数据时,比较读写指针是否相等,相同则写线程阻塞;不相等,则写入数据,然后将写指针加1。当读数据时,读指针加1,然后比较读写指针是否相等,相等则读线程阻塞;不相等,则读出数据。 网络发送线程(流程图如图6所示)和串口接收线程(流程图如图7所示)间共用环形缓冲区uartrv_netsd_buf。串口发送线程和网络接收线程共用环形缓冲区netrv_uartsd_buf。两线程间的关系和处理类似网络发送线程和串口接收线程。 3 系统测试 完成转换器的软硬件设计后,按如图8所示,连接系统进行转换器数据的传输测试。在PC机A上运行串口收发程序,而在PC机B上运行以太网收发程序,经测试后数据传输无误。
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