基于μClinux的SoPC应用体系筹划详解
发布日期：2011-05-22
嵌入式系同一样通常由嵌入衰落处理惩罚处罚器、外围硬件配置、嵌入式利用体系以及用户应用步调四部分构成，其生长紧张表如今芯片技能的进步上，以及在芯片技能限定下的算法与软件的进步上。随着芯片制造技能的生长，嵌入式体系的布局也随之孕育产生了巨大变革，从基于微处理惩罚处罚器的嵌入式体系到基于微控制器的嵌入式体系，继而将可编程逻辑PLD(Programmable Logic Device)技能引入到嵌入式体系筹划中，进而又生长到SoC(System on Chip)，终极将PLD与嵌入式处理惩罚处罚器连合而成为SoPC(System on Programmable Chip)，使得SoPC成为嵌入式体系筹划的一个生长趋势。
本文采取SoPC内嵌32位的软核处理惩罚处罚器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处理惩罚处罚器移植的μClinux开辟了应用步调．其体系布局如图l所示。
1 基于SoPC的嵌入式硬件平台构建
差别于基于处理惩罚处罚器或控制器及SoC的嵌入式体系，基于SoPC的嵌入式体系具有可配置的特点，不会包括恣意专用外设，而是可根据须要机动地在一片FPGA中布局外设接口。
基于SoPC的嵌入式体系紧张由1片内核芯片SoPC和片外器件，以及一些干系的接口配置构成。本文所要实现的转换器采取Altera公司的Cyclone芯片及外围电路构成，此中外围电路包括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。体系电路框图如图2所示。
SoPC芯片内嵌软核处理惩罚处罚器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接口等体系部件。这些部件均以可编程逻辑部件的情势实现，芯片内部部件布局图如图3所示。CPU和全部部件通过Avalon总线连接在一起。
SoPC芯片内体系模块和Avalon总线模块均由SoPCBuilder东西主动天生，利用Qualtus II集成开辟环境可实现芯片内的逻辑筹划及其引脚定义。经编译天生后缀为.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。如许就完成了转换器的硬件筹划。
2 基于μClinux的SoPC应用步调开辟
应用步调的开辟可在硬件平台上直接举行，但需相识全部硬件部件的细节，并编写相应的驱动子步调，其软件筹划难度及变乱量大，且可移植性差。基于嵌入式利用体系的应用步调，其全部的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件举行直接控制的底层驱动步调均封装在利用体系内，通过配置驱动步调接口来完成，用户只需在高层通过利用体系所提供的体系调用举行编程。μClinux是针对控制范畴的嵌入式Linux利用体系，得当如Nios处理惩罚处罚器等不具备内存办理单位(MMU)的微处理惩罚处罚器／微控制器。基于利用体系举行开辟，需将利用体系加载到硬件平台中，μClinux可以以部件的情势集成到SoPC体系中。
2.1 加载μClinux体系的步调
将μClinux加载到SoPC目标板上时需提供一个交错编译环境，硬件恳求具有一个串口的PC变乱站、基于Nios处理惩罚处罚器的SoPC目标板和ByteBlasterMV线缆等。软件需求WindowsNTv4.0、Windows2000或WindowsXP、Altera Nios开辟包NDK 3.0中所提供的Nios GNUPro东西、Ahera Nios开辟包所提供的cygwin摆设，以及Quartus II可编程逻辑开辟东西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环境下举行，起首需按下列步调配置和构建内核。
[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
天生的linux.flash文件即为μClinux内核映像。当SoPC目标板加电，片内ROM中的GERMS监控步调运行后，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创建和装载根文件体系
除了装载内核外，还需装载根文件体系。μClinux采取romfs文件体系，这种文件体系相敷衍一样通常的ext2文件体系恳求更少空间。
在主机上Linux的target目次表如今μClinux下的根(root)目次。当前的脚本和东西可将target目次转换成映像文件(romdisk.flash)，按如下步调创建：
[Linux Developer]…μClinux／：make clean_target
[Linux Developer]…μClinux／：make romfs
然后键入以下下令：
[Linux Developer]…μClinux／：nios-run romdisk.flash
即将romdisk.flash文件下载到目标板上，完成μClinux的根文件体系的加载。
2.1.3 加载应用步调
用户应用步调可通过target目次加载到根文件体系中，可根据须要重修romdisk映像。应用步调在userland目次下，编译天生运行文件后拷贝到target目次树中，并根据target目次的内容创建romdisk.flash文件。新建一个应用步调，起首打开一个LinuxDeveloperBash窗，在userland目次中创建一个目次app，应用步调源文件存放在此目次中，然后在userland／app／中创建一个makefile文件。
Makefile内容如下所示，此中appfile为应用步调名。
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映射用步调举行编译并修改userland／．eonfig和／userland／Makefile文件。在userland／．config文件中，增长一行CONFIG_MY_APP=y，在userland／Makefile文件中，增长dir_$(CONFIG_MY_APP)+=app，进入userland子目次，运行make，即可将应用步调摆设到userland／bin中，并根据userland／．config文件中相应变量的指示将应用步调二进制拷贝到target目次中。
着末，键入以下下令重新构建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内核及文件体系的装载后，即可运行μClinux。键入g800000(800000为启动代码地点，在SoPC Builder中设置)，μClinux主动完成初始化进程，用户输入登任命户名nios，暗码μClinux，出现μClinux的提示符#，表现已进入μClinux运行环境。
2.2 转换器应用步调的实现
转换器应用体系紧张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利用体系中提供了网络驱动步调和串口驱动步调，并提供了多线程的支持。
转换器应用体系中的串口收发数据和网络口收发数据是异步举行的，可分别作为一个任务来对待，任务间是并发的，因此可采取多线程步调筹划技能来实现多任务间的并发实行，体系主步调流程图如图5所示。
在此应用体系中有4个任务，分别创建4个线程：网络汲取线程、网络发送线程、串口汲取线程和串口发送线程。这4个线程可并发实行．因网络速率与串口速率存在着差别，需设置相应的缓冲区来对收发数据举行缓冲。在此应用体系中设置两个环形缓冲区，如图4所示，此中nctrv_uartsd_buf用于汲取网络数据，供存储从网络口汲取的数据，然后串口以后缓冲区中取出数据发送。另一缓冲区uartrv_netsd_bur用于汲取串口数据，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讯和同步，共用缓冲区既要互斥实行又要同步实行，其利用依照生产者和斲丧者模型。线程间的互斥利用采取互斥锁(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称，雷同则写线程壅闭；不相称，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称，相称则读线程壅闭；不相称，则读出数据。
网络发送线程(流程图如图6所示)和串口汲取线程(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汲取线程共用环形缓冲区netrv_uartsd_buf。两线程间的干系和处理惩罚处罚雷同网络发送线程和串口汲取线程。
3 体系测试
完成转换器的软硬件筹划后，按如图8所示，毗连合统举行转换器数据的传输测试。在PC机A上运行串口收发步调，而在PC机B上运行以太网收发步调，经测试后数据传输无误。
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