基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設計

　　本設計，除了在 EDK中搭建了操作系統必須的各種模塊后，還需要在ISE中編寫(xiě)各個(gè)時(shí)序電路程序，因此把 EDK中編寫(xiě)好的工程作為一個(gè)模塊，加入到ISE中，然后統一編譯，這樣生成了我們需要的完整功能的程序。特別指出的是，PPC405數據地址采用的是大端模式，接入到ISE中時(shí)，需要把數據顛倒位置，如DATA[0：31]變?yōu)镈ATA[31:0]，才能正常讀寫(xiě)。

Linux操作系統的加載與燒寫(xiě)

　　加載Linux操作系統需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內核。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅動(dòng)源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑，然后在軟件平臺設置中選擇Dts模式，編譯更新升級包，生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模塊地址分配，中斷以及驅動(dòng)信息，把他加入到Linux 內核中，然后配置內核選項選擇對應的處理器架構、所選硬件的驅動(dòng)模塊以及需要的其他內核模塊，之后再對完成配置的內核進(jìn)行編譯，生成Linux 的內核image 文件。生成內核image 文件之后，還需要生成系統運行所需要的根文件系統。根文件系統中包含了嵌入式Linux系統的所有應用程序、庫以及系統配置等相關(guān)文件。根文件系統中常用的程序和命令可利用開(kāi)源軟件Busybox構造。構造完成之后，在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統的目錄樹(shù)，并添加相關(guān)設備文件和配置文件以及系統運行時(shí)需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統，ramdisk.image。把他拷貝到內核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt，生成最終的系統文件。需要指出的是，在編譯linux內核時(shí)，需要設置好交叉編譯環(huán)境：首先安裝ELDK編譯軟件，然后在編輯自己的帳戶(hù)目錄下的 .bashrc (例如：/home/ppc/) 中加入下面內容:

　　CROSS_COMPILE=ppc_4xx

　　$PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH

　　保存，然后執行$source .bashrc

　　把生成的zlmage.initrd 文件通過(guò) EDK 軟件下的XMD調試窗口，使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中，然后運行 run命令，就正常啟動(dòng)Linux了。

　　程序下載到 DDR中，掉電后，數據就丟失了，不能保存和連續使用，因此要把操作系統燒寫(xiě)到FLASH，上電后讓它能自動(dòng)運行，掉電后也不會(huì )丟失。EDK提供了專(zhuān)門(mén)的FLASH 燒寫(xiě)工具Program Flash Memory，首先要把zlmage.initrd文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件，需要在EDK Shell下運行下面命令：

　　$powerpc-eabi-objcopy CI elf32-powerpc CO srec zImage.initrd.srec

　　第一次燒寫(xiě)FLASH時(shí)需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上，讓系統自動(dòng)生成Bootlooder程序。操作系統燒寫(xiě)到Flash中后，需要FPGA在上電后自動(dòng)從FLASH讀取操作系統數據，然后自動(dòng)運行，這幾需要把剛剛生成的bootloadr_0工程中的.elf加入到.bit生成新的配置文件，使用EDK下的Updata Bitstream命令就能實(shí)現。最后把生成的.mcs文件燒寫(xiě)到FPGA PROM中，上電后，系統就能自動(dòng)運行了。

　　設計結果與分析

　　在Linux系統正常加載后，我們設計一個(gè)程序，它通過(guò)以太網(wǎng)，從上位機獲得數據，存入FPGA內部BlockRam中，再在ISE中編寫(xiě)程序，把獲得的數據取出，產(chǎn)生頻率可變的波形發(fā)生器，并回傳發(fā)送的參數給上位機。

　　通過(guò)實(shí)驗證明，在FPGA加入操作系統后，能輕松實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)，并通過(guò)FPGA自身的邏輯，產(chǎn)生我們需要的各種控制信號，做到了系統的統一調度和各個(gè)功能的并行處理，發(fā)揮了操作系統和FPGA各自的優(yōu)勢。但是也發(fā)現，FPGA下操作系統運行的頻率不高，最多600MHz，中斷響應間隔較長(cháng)，大約3ms左右，系統上電啟動(dòng)時(shí)間較長(cháng)，大約40s左右，這些都需要在今后設計中進(jìn)一步完善和提升。

　　結語(yǔ)

　　本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設計流程，從硬件設計到Linux系統加載，再到應用程序運行整個(gè)過(guò)程，從中可以看出，該設計既發(fā)揮了FPGA并行處理和多時(shí)序控制上的優(yōu)勢，也發(fā)揮了嵌入式Linux系統調度和可裁剪性方面的優(yōu)勢，還提高了這個(gè)系統的穩定行，也減少了FPGA 與外部高速總線(xiàn)連接的資源開(kāi)銷(xiāo)，二者的結合, 既滿(mǎn)足了嵌入式應用按需定制、量體裁衣的需求, 又能開(kāi)發(fā)出穩定而功能強大的嵌入式系統，在現在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中有很好的運用。

linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）