基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)，除了在 EDK中搭建了操作系統(tǒng)必須的各種模塊后，還需要在ISE中編寫各個(gè)時(shí)序電路程序，因此把 EDK中編寫好的工程作為一個(gè)模塊，加入到ISE中，然后統(tǒng)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(shù)據(jù)地址采用的是大端模式，接入到ISE中時(shí)，需要把數(shù)據(jù)顛倒位置，如DATA[0：31]變?yōu)镈ATA[31:0]，才能正常讀寫。

Linux操作系統(tǒng)的加載與燒寫

　　加載Linux操作系統(tǒng)需要利用EDK軟件提供的板級(jí)升級(jí)包(BSP)配置內(nèi)核。BSP 包含了所選定處理器架構(gòu)的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項(xiàng)下設(shè)置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫(kù)路徑，然后在軟件平臺(tái)設(shè)置中選擇Dts模式，編譯更新升級(jí)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(qū)動(dòng)信息，把他加入到Linux 內(nèi)核中，然后配置內(nèi)核選項(xiàng)選擇對(duì)應(yīng)的處理器架構(gòu)、所選硬件的驅(qū)動(dòng)模塊以及需要的其他內(nèi)核模塊，之后再對(duì)完成配置的內(nèi)核進(jìn)行編譯，生成Linux 的內(nèi)核image 文件。生成內(nèi)核image 文件之后，還需要生成系統(tǒng)運(yùn)行所需要的根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)中包含了嵌入式Linux系統(tǒng)的所有應(yīng)用程序、庫(kù)以及系統(tǒng)配置等相關(guān)文件。根文件系統(tǒng)中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構(gòu)造。構(gòu)造完成之后，在Busybox 生成的目錄和文件的基礎(chǔ)上再構(gòu)造根文件系統(tǒng)的目錄樹，并添加相關(guān)設(shè)備文件和配置文件以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統(tǒng)，ramdisk.image。把他拷貝到內(nèi)核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運(yùn)行make zlmage. initrt，生成最終的系統(tǒng)文件。需要指出的是，在編譯linux內(nèi)核時(shí)，需要設(shè)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目錄下的 .bashrc (例如：/home/ppc/) 中加入下面內(nèi)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(zhí)行$source .bashrc

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

　　程序下載到 DDR中，掉電后，數(shù)據(jù)就丟失了，不能保存和連續(xù)使用，因此要把操作系統(tǒng)燒寫到FLASH，上電后讓它能自動(dòng)運(yùn)行，掉電后也不會(huì)丟失。EDK提供了專門的FLASH 燒寫工具Program Flash Memory，首先要把zlmage.initrd文件轉(zhuǎn)換為FLASH能識(shí)別的.SREC文件，需要在EDK Shell下運(yùn)行下面命令：

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

　　第一次燒寫FLASH時(shí)需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上，讓系統(tǒng)自動(dòng)生成Bootlooder程序。操作系統(tǒng)燒寫到Flash中后，需要FPGA在上電后自動(dòng)從FLASH讀取操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)運(yùn)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(xiàn)。最后把生成的.mcs文件燒寫到FPGA PROM中，上電后，系統(tǒng)就能自動(dòng)運(yùn)行了。

　　設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

　　在Linux系統(tǒng)正常加載后，我們設(shè)計(jì)一個(gè)程序，它通過以太網(wǎng)，從上位機(jī)獲得數(shù)據(jù)，存入FPGA內(nèi)部BlockRam中，再在ISE中編寫程序，把獲得的數(shù)據(jù)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(shù)給上位機(jī)。

　　通過實(shí)驗(yàn)證明，在FPGA加入操作系統(tǒng)后，能輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過FPGA自身的邏輯，產(chǎn)生我們需要的各種控制信號(hào)，做到了系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和各個(gè)功能的并行處理，發(fā)揮了操作系統(tǒng)和FPGA各自的優(yōu)勢(shì)。但是也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA下操作系統(tǒng)運(yùn)行的頻率不高，最多600MHz，中斷響應(yīng)間隔較長(zhǎng)，大約3ms左右，系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，大約40s左右，這些都需要在今后設(shè)計(jì)中進(jìn)一步完善和提升。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設(shè)計(jì)流程，從硬件設(shè)計(jì)到Linux系統(tǒng)加載，再到應(yīng)用程序運(yùn)行整個(gè)過程，從中可以看出，該設(shè)計(jì)既發(fā)揮了FPGA并行處理和多時(shí)序控制上的優(yōu)勢(shì)，也發(fā)揮了嵌入式Linux系統(tǒng)調(diào)度和可裁剪性方面的優(yōu)勢(shì)，還提高了這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定行，也減少了FPGA 與外部高速總線連接的資源開銷，二者的結(jié)合, 既滿足了嵌入式應(yīng)用按需定制、量體裁衣的需求, 又能開發(fā)出穩(wěn)定而功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)，在現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有很好的運(yùn)用。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）