基于soc的嵌入式系統解析方案

嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)應用程序四部分組成，其發(fā)展主要體現在芯片技術(shù)的進(jìn)步上，以及在芯片技術(shù)限制下的算法與軟件的進(jìn)步上。隨著(zhù)芯片制造技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統的結構也隨之發(fā)生了重大變革，從基于微處理器的嵌入式系統到基于微控制器的嵌入式系統，繼而將可編程邏輯 pld(programmable logic device)技術(shù)引入到嵌入式系統設計中，進(jìn)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成為嵌入式系統設計的一個(gè)發(fā)展趨勢。

本文采用sopc內嵌32位的軟核處理器nios，實(shí)現了一個(gè)uart串行口和以太網(wǎng)接口的轉換器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)轉換器)，并基于microtronix公司針對nios處理器移植的μclinux開(kāi)發(fā)了應用程序.其系統結構如圖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，基于sopc的嵌入式系統具有可配置的特點(diǎn)，不會(huì )包括任何專(zhuān)用外設，而是可根據需要靈活地在一片fpga中構造外設接口。

基于sopc的嵌入式系統主要由1片核心芯片sopc和片外器件，以及一些相關(guān)的接口設備組成。本文所要實(shí)現的轉換器采用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(wǎng)控制器lan91c111。系統電路框圖如圖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(shí)器、uart串行口、sram、flash接口等系統部件。這些部件均以可編程邏輯部件的形式實(shí)現，芯片內部部件結構圖如圖3所示。cpu和所有部件通過(guò)avalon總線(xiàn)連接在一起。

sopc芯片內系統模塊和avalon總線(xiàn)模塊均由sopcbuilder工具自動(dòng)生成，利用qualtus ii集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可實(shí)現芯片內的邏輯設計及其引腳定義。經(jīng)編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過(guò)byteblasterii線(xiàn)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(kāi)發(fā)

應用程序的開(kāi)發(fā)可在硬件平臺上直接進(jìn)行，但需了解所有硬件部件的細節，并編寫(xiě)相應的驅動(dòng)子程序，其軟件設計難度及工作量大，且可移植性差?；谇度胧讲僮飨到y的應用程序，其所有的硬件細節均對用戶(hù)屏蔽。對硬件進(jìn)行直接控制的底層驅動(dòng)程序均封裝在操作系統內，通過(guò)設備驅動(dòng)程序接口來(lái)完成，用戶(hù)只需在高層通過(guò)操作系統所提供的系統調用進(jìn)行編程。μclinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式linux操作系統，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進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需將操作系統加載到硬件平臺中，μclinux可以以部件的形式集成到sopc系統中。

2.1 加載μclinux系統的步驟

將μclinux加載到sopc目標板上時(shí)需提供一個(gè)交叉編譯環(huán)境，硬件要求具有一個(gè)串口的pc工作站、基于nios處理器的sopc目標板和 byteblastermv線(xiàn)纜等。軟件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios開(kāi)發(fā)包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios開(kāi)發(fā)包所提供的cygwin安裝，以及quartus ii可編程邏輯開(kāi)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(jìn)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

除了裝載內核外，還需裝載根文件系統。μclinux采用romfs文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少空間。

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的根文件系統的加載。