基于μClinux的SoPC應用系統設計詳解
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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。
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。
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SoPC Builder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?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/操作系統">操作系統的應用程序，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。
2.1.3 加載應用程序
用戶(hù)應用程序可通過(guò)target目錄加載到根文件系統中，可根據需要重建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(shù)中，并根據target目錄的內容創(chuàng )建romdisk.flash文件。新建 一個(gè)應用程序，首先打開(kāi)一個(gè) LinuxDeveloperBash窗，在userland目錄中創(chuàng )建一個(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)入userland子目錄，運行make，即可將應用程序安裝到userland／bin中，并根據 userland／.config文件中相應變量的指示將應用程序二進(jìn)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
完成μClinux內核及文件系統的裝載后，即可運行μClinux。鍵入g800000(800000為啟動(dòng)代碼地址，在SoPC Builder 中設置)，μClinux自動(dòng)完成初始化過(guò)程，用戶(hù)輸入登錄用戶(hù)名nios，密碼μClinux，出現μClinux的提示符#，表示已進(jìn)入 μClinux運行環(huán)境。
2.2 轉換器應用程序的實(shí)現
轉換器應用系統主要完成網(wǎng)絡(luò )接口和串行接口間的數據傳輸。μClinux操作系統中提供了網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序和串口驅動(dòng)程序，并提供了多線(xiàn)程的支持。
轉換器應用系統中的串口收發(fā)數據和網(wǎng)絡(luò )口收發(fā)數據是異步進(jìn)行的，可分別作為一個(gè)任務(wù)來(lái)對待，任務(wù)間是并發(fā)的，因此可采用多線(xiàn)程程序設計技術(shù)來(lái)實(shí)現多任務(wù)間的并發(fā)執行。
在此應用系統中有4個(gè)任務(wù)，分別創(chuàng )建4個(gè)線(xiàn)程：網(wǎng)絡(luò )接收線(xiàn)程、網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程、串口接收線(xiàn)程和串口發(fā)送線(xiàn)程。這4個(gè)線(xiàn)程可并發(fā)執行.因網(wǎng)絡(luò )速度與串口速度存在著(zhù)差異，需設置相應的緩沖區來(lái)對收發(fā)數據進(jìn)行緩沖。在此應用系統中設置兩個(gè)環(huán)形緩沖區，如圖4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收網(wǎng)絡(luò )數據，供存儲從網(wǎng)絡(luò )口接收的數據，然后串口從此緩沖區中取出數據發(fā)送。另一緩沖區uartrv_netsd_bur用于接收串口數據，然后網(wǎng)絡(luò )口取出此緩沖區中數據發(fā)送出去。
線(xiàn)程間需實(shí)現相互通信和同步，共用緩沖區既要互斥執行又要同步執行，其操作遵循生產(chǎn)者和消費者模型。線(xiàn)程間的互斥操作采用互斥鎖(mu-tex)來(lái)實(shí)現。線(xiàn)程間的同步通過(guò)設置兩個(gè)指針來(lái)實(shí)現，一個(gè)是讀指針，另一個(gè)是寫(xiě)指針，寫(xiě)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(xiě)數據時(shí)，比較讀寫(xiě)指針是否相等，相同則寫(xiě)線(xiàn)程阻塞；不相等，則寫(xiě)入數據，然后將寫(xiě)指針加1。當讀數據時(shí)，讀指針加1，然后比較讀寫(xiě)指針是否相等，相等則讀線(xiàn)程阻塞；不相等，則讀出數據。
網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程和串口接收線(xiàn)程間共用環(huán)形緩沖區uartrv_netsd_buf。串口發(fā)送線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò )接收線(xiàn)程共用環(huán)形緩沖區netrv_uartsd_buf。兩線(xiàn)程間的關(guān)系和處理類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程和串口接收線(xiàn)程。
3 系統測試
完成轉換器的軟硬件設計后，連接系統進(jìn)行轉換器數據的傳輸測試。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(wǎng)收發(fā)程序，經(jīng)測試后數據傳輸無(wú)誤。
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