MicroBlaze處理器的PetaLinux操作系統(tǒng)移植

引言
隨著FPGA(Field Prograromable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)技術(shù)的迅速發(fā)展，SOPC(Systam On a Prograromable Chip，可編程片上系統(tǒng))作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)方向。SOPC融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級的功能。其核心是在FPGA上實(shí)現(xiàn)的嵌入式微處理器核，而如何針對特定的微處理器選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)是SOPC開發(fā)的難點(diǎn)之一。本文針對Xilinx公司的MicroBlaze軟核，介紹了PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)及其移植方法，研究了PetaLinux的相關(guān)配置和啟動(dòng)方案。

1 基于MicroBlaze處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 MicroBlaze處理器簡介
MicroBlaze軟核處理器是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強(qiáng)大的微處理器。它內(nèi)部采用RISC架構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，支持CoreConnect片上總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)計(jì)集合，具有兼容性和重復(fù)利用性，且可根據(jù)性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減，極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍，其最精簡的核只需要將近400個(gè)Slice。
MicroBlaze的CoreConnect總線、它能夠?qū)PGA內(nèi)各種不同的IP核連接到一起構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。CoreConnect總線是一個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)的集合，它包括PLB總線(Processor Local Bus，處理器本地總線)，LMB總線(Local Memory Bus，高速本地存儲(chǔ)器總線)，F(xiàn)SL(Fast Simplex Link，快速單連接)總線，以及XCL(Xilinx CacheLink)總線等。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部設(shè)備概述
本系統(tǒng)主要是在Virtex-4開發(fā)板上構(gòu)建一個(gè)以MicroBlaze處理器為中心的嵌入式信號處理系統(tǒng)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總線架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地址譯碼、外設(shè)接口等系統(tǒng)部件和功能。各功能部件在FPGA內(nèi)部都以IP核的形式構(gòu)建并連接，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中，SysACE用于存放文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序配置文件，INTC用來實(shí)現(xiàn)中斷控制；GPIO和UART 16550用于系統(tǒng)調(diào)試，自定義IP核DDC用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字接收機(jī)下變頻功能，這些外設(shè)通過PLB總線與MicroBlaze處理器和DDR相連；用于快速傅里葉變換的自定義IP核FFT通過FSL總線與Micr-oBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸；DDR通過XCL總線與MicroBlaze處理器相連，實(shí)現(xiàn)了MicroBlaze處理器對片外存儲(chǔ)器的高速訪問。
1．3 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
選用PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)。它是PetaLogix公司專門針對FPGA的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式Linux開發(fā)套件，在滿足應(yīng)用工程的邏輯編程能力和對嵌入式Linux要求的同時(shí)，可極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。PetaLinux作為專門針對于Xilinx FPGA的嵌入式Linux解決方案，不但提供了專門的BSP生成器，而且提供了眾多的參考設(shè)計(jì)，可以幫助設(shè)計(jì)者快速掌握PetaLinux的配置方法。PelaLinux內(nèi)核正在不斷的完善之中，且不斷地加入基于Xilinx FPGA嵌入式系統(tǒng)IP核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，比如XilinxUSB、SysACE、FSL總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)、10／100／1000M三態(tài)以太網(wǎng)MAC等。這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)極大地減輕了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的工作量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

2 PetaLinux系統(tǒng)移植
在SOPC硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成后，就要針對此結(jié)構(gòu)配置操作系統(tǒng)內(nèi)核，下面介紹具體步驟。
2．1 建立交叉編譯環(huán)境
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般采用交叉編譯的方法，即在宿主機(jī)上對內(nèi)核和應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，生成目標(biāo)機(jī)處理器可執(zhí)行的二進(jìn)制位流文件，將此文件下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。PetaLinux針對MicroBlaze處理器建立了交叉編譯器，運(yùn)行source．／settings．sh腳本，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立交叉環(huán)境。