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引言 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進步和制造工藝水平的提高，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得日益復(fù)雜。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)當前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的需要。單個芯片容量的增大、功能的增加、體積的減小使得設(shè)計變得更加便利，同時也為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)開辟了新的天地，即出現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)技術(shù)。SOPC技術(shù)大大促進了軟硬件協(xié)同設(shè)計及計算機系統(tǒng)設(shè)計自動化的發(fā)展，并具有可裁剪、可擴充、可升級的靈活設(shè)計方式及在系統(tǒng)可編程功能。 通常，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分主要基于實時操作系統(tǒng)(簡稱RTOS)，在特定的RTOS 之上開發(fā)應(yīng)用軟件。通過屏蔽掉許多底層硬件細節(jié)的方法，可以使得程序開發(fā)人員改進軟件功能、提高設(shè)計效率、降低開發(fā)難度，同時使得程序調(diào)試方便、移植簡單、容易維護，大大縮短了開發(fā)周期。uClinux 是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中的實時操作系統(tǒng)，針對微控制器領(lǐng)域而設(shè)計。它的特點是較好的穩(wěn)定性、出色的網(wǎng)絡(luò)功能和高效的文件系統(tǒng)支持等。最大特征就是不使用內(nèi)存管理單元模塊（MMU：Memory Management Unit），很適合那些沒有MMU 的處理器。如把uClinux 操作系統(tǒng)移植于SOPC 系統(tǒng)，便可以使得此類系統(tǒng)大大縮短軟硬件開發(fā)的時間，并可進一步增強整體功能。 1 SOPC 硬件系統(tǒng)的建立 1.1 硬件系統(tǒng)架構(gòu) 不同于許多基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)，基于SOPC 的嵌入式系統(tǒng)具有可配置的特點，可根據(jù)需要靈活地在一片FPGA 中構(gòu)造外設(shè)接口。本文構(gòu)建的最小系統(tǒng)可運行uClinux，采用Altera 公司的Cyclone Ⅱ芯片EP2C35 及相關(guān)外圍電路組成。其中，外圍電路包括1 片16MB 的DDR SDRAM、l 片16MB 的Flash、RS232、串行配置芯片EPCS64 以及供電系統(tǒng)。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1 所示。 
1.2 SOPC 硬件開發(fā) Nios Ⅱ系列嵌入式處理器是一款采用流水線技術(shù)、單指令流的RISC CPU，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。Nios Ⅱ包括3 種內(nèi)核：快速的F(最高性能的優(yōu)化)內(nèi)核、經(jīng)濟的E(最小邏輯占用的優(yōu)化)內(nèi)核以及標準的S(平衡于性能和尺寸)內(nèi)核，每種內(nèi)核根據(jù)不同的性能而優(yōu)化。Nios Ⅱ嵌入式CPU 支持32 位指令集、32 位數(shù)據(jù)線寬度、32 個通用寄存器、32 個外部中斷源、2 GB 尋址空間，包含高達256 個用戶自定義的CPU 定制指令。NI0S Ⅱ CPU 的所有數(shù)據(jù)、程序都是通過Avalon 總線傳輸?shù)模ㄟ^使用Altera 的Quartus Ⅱ軟件以及SOPCBuilder 工具可以輕松地將Nios Ⅱ內(nèi)核嵌入到系統(tǒng)里。 SOPC 硬件開發(fā)主要使用Quartus Ⅱ和SOPC Builder。由于本系統(tǒng)中使用到DDR SDRAM，所以在系統(tǒng)開發(fā)前必須安裝與Quartus Ⅱ版本相兼容的Megacore 程序以提供DDR SDRAM IP核。硬件設(shè)計主要工作有以下兩步： （1）定制Nios Ⅱ處理器軟核。用SOPC Builder 軟件從Nios Ⅱ處理器內(nèi)核和Nios Ⅱ開發(fā)套件提供的外設(shè)列表中選取合適的CPU、存儲器以及各外圍器件（如片內(nèi)存儲器、PIO、定時器、UART、片外存儲器接口等），并定制和配置它們的功能、分配外設(shè)地址及中斷號、設(shè)定復(fù)位地址、最后生成系統(tǒng)。用戶也可以添加用戶自身定制指令邏輯到Nios Ⅱ內(nèi)核以加速CPU 性能，或添加用戶外設(shè)以減輕CPU 的任務(wù)。定制好的Nios Ⅱ處理器軟核如圖2 所示。
（2）建立完善頂層模塊。使用SOPC Builder 生成Nios Ⅱ系統(tǒng)后，將其集成到整個Quartus Ⅱ工程中。根據(jù)需要在工程中加入Nios Ⅱ系統(tǒng)以外的邏輯，用戶也可以集成自身定制的硬件模塊到SOPC 設(shè)計之中，或集成從Altera 或第3 方IP 供應(yīng)商得到的其它現(xiàn)成的知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計模塊。頂層模塊主要包括DDR SDRAM 模塊、FLASH 模塊、UART 模塊以及PIO模塊。 2 裁剪和移植uClinux 操作系統(tǒng) 本系統(tǒng)使用的是Microtronix 公司負責維護和發(fā)行的Nios Ⅱ uClinux 版本。該版本uClinux 是2.6.11 的內(nèi)核，目前在Nios Ⅱ上運行最為穩(wěn)定。在Nios Ⅱ上實現(xiàn)uClinux 操作系統(tǒng)環(huán)境主要包括兩個部分，一是針對Nios Ⅱ處理器移植的uClinux 內(nèi)核，二是建立一個包含基本系統(tǒng)工具和應(yīng)用程序的根文件系統(tǒng)。 2.1 建立uClinux 內(nèi)核 該項工作主要需在Nios II IDE 環(huán)境中利用Microtronix Nios Ⅱ包構(gòu)建Linux KernelProject，并根據(jù)用戶硬件系統(tǒng)在SOPC Builder System 欄中選擇目標硬件。在Memory Device欄中選擇uClinux 內(nèi)核上傳的位置（FLASH）以及內(nèi)核運行的位置（SDRAM），完成生成內(nèi)核的配置。回到Nios II IDE 主窗口界面后，在Project Navigator 窗口中可以看到uClinux_kernel 工程已經(jīng)建立好。此時在uClinux_kernel 上點擊右鍵選擇ConfigureKernel，進入uClinux 內(nèi)核配置界面，并根據(jù)硬件系統(tǒng)進行uClinux 內(nèi)核配置。需配置的主要選項及相關(guān)描述如下： （1）Processer type and feature--->Platform. 項選擇Altera Cyclone DevelopmentBoard Support； （2）Device Drivers--->ATA/ATAPI/MFM/RLL support 選項關(guān)掉，我們所建立的NiosII 系統(tǒng)沒有外部IDE 接口外設(shè)； （3）Device Drivers--->Character devices--->Nios PIO buttons support 選項關(guān)掉，因為系統(tǒng)中沒有buttons PIO，若選擇則會編譯出錯； （4）Device Drivers->Character devices--->Serial drivers--->Altera JTAG UARTsupport 選項選中，為控制臺選擇JTAG 下載方式； （5） Device Drivers->Character devices--->Serial drivers--->Nios serialsupport 選項選中，通過RS232 串口與系統(tǒng)進行通信交流； （6）其余配置不需要改變。 配置完成后予以保存并回到Nios II IDE 主窗口界面。在Project Navigator 窗口中右鍵點擊uClinux_kernel 選擇Build Project 編譯內(nèi)核。編譯完成后，在ProjectNavigator 窗口中展開uClinux_kernel 工程。可以看到，在uClinux_kernel 的目錄中，已經(jīng)生成了vmlinux.bin 文件。在該文件上點擊右鍵選擇Upload 即可啟動燒寫程序，將生成的內(nèi)核二進制文件vmlinux.bin 寫入Flash 芯片中。 2.2 建立uClinux 文件系統(tǒng) uClinux 文件系統(tǒng)的建立與uClinux 內(nèi)核的建立方法類似，也是在Nios II IDE 環(huán)境中利用Microtronix Nios Ⅱ程序包構(gòu)建Linux Filesystem Project。在SOPC Builder System欄中選擇目標硬件（與建立uClinux_kernel 工程時選擇的硬件系統(tǒng)相同），在Memory Device欄中確定uClinux 文件系統(tǒng)上傳的位置（FLASH）。在文件系統(tǒng)基本工具和應(yīng)用程序選擇窗口中，根據(jù)硬件系統(tǒng)情況以及應(yīng)用方向選擇在文件系統(tǒng)中要生成的基本工具和應(yīng)用程序。用戶也可以點擊右邊的Install Minimal 按鈕，只選擇必須的工具和應(yīng)用程序。這種情況下生成的基本文件系統(tǒng)僅為872K，很適合資源緊湊的開發(fā)平臺。 為了精簡系統(tǒng)，選擇Install Minimal，點擊Finish 完成基本文件系統(tǒng)的配置。回到Nios II IDE 的主窗口界面，編譯工程。編譯完成之后，在uClinux_fs 工程的目錄列表中可以看到romfs.bin 文件已經(jīng)生成。與處理內(nèi)核文件相同，再將romfs.bin 文件寫入Flash中。至此，uClinux 的內(nèi)核和文件系統(tǒng)都已經(jīng)存在于目標硬件系統(tǒng)（開發(fā)板）中的Flash 芯片上了。Nios II 處理器復(fù)位之后就能從Flash 中引導(dǎo)啟動，進入uClinux 操作系統(tǒng)。 2.3 運行并登陸uClinux 操作系統(tǒng) 進入Quartus 的編程窗口，將編譯生成的.sof 文件下載到硬件系統(tǒng)（開發(fā)板）上。通過超級終端或DNW 程序可以看到，uClinux 的啟動信息已經(jīng)從DNW 窗口輸出，并等待與用戶通信。輸入ls 命令可以看到配置uClinux_fs 時所選擇的基本工具和應(yīng)用程序。至此，已經(jīng)成功定制并登陸到uClinux 系統(tǒng)中。DNW 軟件輸出的uClinux 系統(tǒng)啟動信息如圖3 所示。
3 建立并執(zhí)行用戶應(yīng)用程序 3.1 建立用戶應(yīng)用程序 利用Microtronix Nios Ⅱ完成uClinux 應(yīng)用程序工程的創(chuàng)建后，在Project Navigator窗口中可以看到一個空的工程。可新建.c 文件及makefile 文件向工程中添加用戶程序代碼，也可導(dǎo)入已建立好的.c 文件及makefile 文件。這里選用較為通用的新建方法為例進行介紹。 首先在工程中建立.c 文件，輸入程序代碼： #include main() { printf("My first Nios2 uClinux Program !\n"); } 當建立makefile 文件、輸入對應(yīng)的編譯、控制信息代碼并編譯完成后，即可在工程中看到所生成的Nios II Linux 可執(zhí)行文件.exe 文件。 3.2 下載并運行用戶應(yīng)用程序 有多種方法將Nios II uClinux 可執(zhí)行文件.exe 文件傳輸?shù)絬Clinux 系統(tǒng)中并運行，一般首選ftp 和NFS 方法。鑒于本例沒有包含網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所以選用修改文件系統(tǒng)內(nèi)容的方法完成下載和運行任務(wù)。 先將編譯好的.exe 文件拷貝到uClinux_fs 工程的target\bin 目錄下（可以根據(jù)自己的習慣選擇其它），重新編譯uClinux_fs 工程。完成后將編譯新生成的romfs.bin 文件寫入Flash 芯片中，啟動登陸uClinux 操作系統(tǒng)，進入/bin 目錄。可以看到，拷貝到文件系統(tǒng)中的.exe 程序已經(jīng)出現(xiàn)在/bin 目錄中。執(zhí)行后則在DNW 窗口得到程序執(zhí)行的結(jié)果，例如打印輸出：My first Nios2 uClinux Program ！其效果示于圖4。
4 結(jié)束語 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是一門綜合性很強的學科，其相關(guān)研究內(nèi)容和技術(shù)具有高度融合的特點。基于新穎、高效、業(yè)已成熟的基本器件及開發(fā)環(huán)境，SOPC 使得測量和控制領(lǐng)域中直接面向應(yīng)用的研究更加現(xiàn)實、可行。依托于“強電磁場環(huán)境模擬與防護技術(shù)”國防科技重點實驗室，本文構(gòu)建了一個SOPC 系統(tǒng)，定制了Nios II 處理器軟核，進而完成了uClinux 操作系統(tǒng)的剪裁與移植和應(yīng)用程序的基本開發(fā)、調(diào)試工作，并投入到了后續(xù)實驗之中。此外，這種方式不僅有助于大大縮短嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)時間，又為一般實驗條件下的相關(guān)控制系統(tǒng)提供了可行的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，并可望具有一定的學術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 本文創(chuàng)新點：構(gòu)建了可移植uClinux 的最小SOPC 系統(tǒng)，并成功完成了uClinux 的移植工作， 縮短了SOPC 系統(tǒng)的開發(fā)周期、拓展了uClinux 的應(yīng)用領(lǐng)域。 作者：巨政權(quán) 來源：《微計算機信息》2009年第4-2期 |
