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引言 FPGA是通過(guò)邏輯組合電路來(lái)實(shí)現各種功能的器件。由于FPGA內部集成了大量的邏輯資源和可配置的I/O引腳，加上獨特的并行處理架構，可以輕松實(shí)現同時(shí)對多個(gè)外部設備的配置和管理，以及內外各種接口數據的傳輸�，F在開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商又在FPGA 內部加入了大量的DSP和Block RAM資源，非常適合圖像處理、數字信號處理等運算密集的應用，因此在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應用。但是由于FPGA 程序編寫(xiě)的靈活性和功能的多樣性，使得它在一個(gè)復雜工程中對各個(gè)程序的使用調度、統籌管理上有很大的局限性，這樣就必須引入操作系統進(jìn)行統一的管理。Linux 系統則因為其良好的可裁減、可配置等特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域應用廣泛。 Linux操作系統提供了許多系統級的應用，例如網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的實(shí)現、進(jìn)程調度、內存管理等，同時(shí)Linux 是一個(gè)成熟的開(kāi)源操作系統，有豐富的應用資源，利用這些資源和強大的系統功能，用戶(hù)可以快速地開(kāi)發(fā)基于嵌入式環(huán)境復雜系統。因此，結合FPGA和Linux雙方優(yōu)勢，可以很好地滿(mǎn)足嵌入式系統設計需求，量體裁衣，去除冗余。本文給出了一種基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系統解決方案。 基于FPGA的嵌入式系統的硬件設計 本設計是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA，它內部集成了兩個(gè)PowerPC405處理器, 4個(gè)10/100/1000M以太網(wǎng)MAC模塊，運行頻率300MHz時(shí)，具有420D-MIPS性能，能解決高速網(wǎng)絡(luò )數據傳輸問(wèn)題，并且能解決通過(guò)網(wǎng)絡(luò )加載操作系統和交叉編譯等問(wèn)題。它內部有448個(gè)可配置I/O口，2592kb BlockRAM，能實(shí)現對各種外部設備的并行控制以及較多數據的存儲與處理。加載一個(gè)操作系統，一般需要幾十兆的內存空間，FPGA內部自帶的 RAM空間是遠遠不夠的，本設計在板上擴展了兩片MICRON公司的256Mb DDR內存，作為上電時(shí)操作系統的加載和運行空間�，F在主流的嵌入式操作系統，都需要搭建交叉編譯環(huán)境，把在主機上編寫(xiě)好的可執行文件下載到目標板上，這就需要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸。由于XC4VFX40 自帶了以太網(wǎng)MAC模塊，只需要在外面添加個(gè)PHY芯片和帶隔離器的RJ45接口就能實(shí)現這個(gè)功能。本設計由于對網(wǎng)絡(luò )數據實(shí)時(shí)性要求很高，因此采用 Marvell公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片88E1111-RCJ。它能根據自身配置和主機設計，實(shí)現10/100/1000M自適應傳輸，并且Linux本身對這個(gè)芯片提供了驅動(dòng)支持，實(shí)現無(wú)縫鏈接。操作系統加載到DDR 中能快速有效的運行，但是掉電就會(huì )丟失，因此必須加入FLASH芯片，把系統文件存儲到外部FLASH中。加電時(shí)，FPGA把操作系統文件從FLASH讀入到 DDR中運行。FPGA設計當然會(huì )擴展很多接口出來(lái)，利用自身并行處理的優(yōu)勢，控制很多外圍設備，本設計也不例外，擴展了8個(gè)通用的GPIO，2個(gè)PS/2接口，1個(gè)USB接口，1個(gè) AC97聲卡接口，1個(gè) HotLink接口，以及4個(gè)RS422接口，同時(shí)擴展了兩個(gè)CPCI接口，引出了16位數據地址線(xiàn)和Ethernet控制線(xiàn)，整個(gè)系統的硬件框圖如圖1 所示。 
在進(jìn)行電路設計時(shí)，是以FPGA為核心，向外擴展各種設備，因此特別注意了FPGA各個(gè)引腳的連接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V電壓，因此和DDR、PHY芯片連接引腳所在的BANK需要提供+2.5V電壓參考，并且不能接以 LVTTL或LVCMOS為電壓參考的引腳。重要快速的時(shí)鐘信號必須接到全局時(shí)鐘引腳上。由于FPGA需要通過(guò)外部 FLASH啟動(dòng)操作系統，需要并行配置，以減少加載時(shí)間，配置電路如圖2所示。在DDR布線(xiàn)時(shí)，數據和地址線(xiàn)需要走等長(cháng)線(xiàn)，數據線(xiàn)之間不能相差 10Mil,地址線(xiàn)要控制在20Mil以?xún)�，時(shí)鐘也需要走差分等長(cháng)線(xiàn)，長(cháng)度應大于地址線(xiàn)，DDR各個(gè)信號還需要47Ω的并行端接，改善信號質(zhì)量。千兆 PHY 輸出MDI信號也需要在頂層做差分等長(cháng)，不然在進(jìn)行1000M數據傳輸時(shí)很可能不穩定。DDR和PHY需要完整的電源回路做參考，電源層劃分時(shí)也要特別注意，其他電路做常規處理就可以了。
EDK和ISE軟件設計 首先需要調用Xilinx提供的 EDK軟件，對各個(gè)模塊加入必要的IPCORE，以便操作系統能正常調用這些器件的驅動(dòng)操作他們。本設計采用的是EDK10.1.2版本，PPC方面選用 ppc405內核，頻率設定在300MHz，同時(shí)需要添加中斷輸入引腳，以便響應以太網(wǎng)、串口等外部中斷，其他使用默認設置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模塊，需要設置DDR芯片廠(chǎng)商、大小和數據位數等，特別指出的是，要設置獨立的兩條PLB總線(xiàn)和PPC連接，作為PPC的指令和數據總線(xiàn)。MAC單元需要加入XPS_LL_TEMAC模塊來(lái)控制，本設計需要設置PHY 類(lèi)型為GMII(千兆以太網(wǎng))，同時(shí)要指定物理地址和收發(fā)FIFO大小。FLASH單元需要加入xps_mch_emc模塊，同時(shí)設置FLASH類(lèi)型和讀寫(xiě)時(shí)間。為了方便調試，還需要加入串口控制臺模塊，本設計使用的是UartLite模塊，設置需要的波特率和校驗類(lèi)型。特別注意的是，系統還需要時(shí)鐘管理模塊(DCM)，提供各個(gè)模塊需要的不同時(shí)鐘，還要設置一段FPGA內部RAM區域，放置PPC的.boot文件。外部這些模塊都通過(guò)PLB總線(xiàn)和PPC通信，需要統一編址，一般把DDR 內存空間地址分配到0x0開(kāi)始，整個(gè)系統的構建如圖3所示。
本設計，除了在 EDK中搭建了操作系統必須的各種模塊后，還需要在ISE中編寫(xiě)各個(gè)時(shí)序電路程序，因此把 EDK中編寫(xiě)好的工程作為一個(gè)模塊，加入到ISE中，然后統一編譯，這樣生成了我們需要的完整功能的程序。特別指出的是，PPC405數據地址采用的是大端模式，接入到ISE中時(shí)，需要把數據顛倒位置，如DATA[0：31]變?yōu)镈ATA[31:0]，才能正常讀寫(xiě)。 Linux操作系統的加載與燒寫(xiě) 加載Linux操作系統需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內核。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅動(dòng)源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑，然后在軟件平臺設置中選擇Dts模式，編譯更新升級包，生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模塊地址分配，中斷以及驅動(dòng)信息，把他加入到Linux 內核中，然后配置內核選項選擇對應的處理器架構、所選硬件的驅動(dòng)模塊以及需要的其他內核模塊，之后再對完成配置的內核進(jìn)行編譯，生成Linux 的內核image 文件。生成內核image 文件之后，還需要生成系統運行所需要的根文件系統。根文件系統中包含了嵌入式Linux系統的所有應用程序、庫以及系統配置等相關(guān)文件。根文件系統中常用的程序和命令可利用開(kāi)源軟件Busybox構造。構造完成之后，在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統的目錄樹(shù)，并添加相關(guān)設備文件和配置文件以及系統運行時(shí)需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統，ramdisk.image。把他拷貝到內核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt，生成最終的系統文件。需要指出的是，在編譯linux內核時(shí)，需要設置好交叉編譯環(huán)境：首先安裝ELDK編譯軟件，然后在編輯自己的帳戶(hù)目錄下的 .bashrc (例如：/home/ppc/) 中加入下面內容: CROSS_COMPILE=ppc_4xx $PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH 保存，然后執行$source .bashrc 把生成的zlmage.initrd 文件通過(guò) EDK 軟件下的XMD調試窗口，使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中，然后運行 run命令，就正常啟動(dòng)Linux了。 程序下載到 DDR中，掉電后，數據就丟失了，不能保存和連續使用，因此要把操作系統燒寫(xiě)到FLASH，上電后讓它能自動(dòng)運行，掉電后也不會(huì )丟失。EDK提供了專(zhuān)門(mén)的 FLASH 燒寫(xiě)工具Program Flash Memory，首先要把zlmage.initrd文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件，需要在EDK Shell下運行下面命令： $powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec 第一次燒寫(xiě)FLASH時(shí)需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上，讓系統自動(dòng)生成Bootlooder程序。操作系統燒寫(xiě)到Flash中后，需要FPGA在上電后自動(dòng)從FLASH讀取操作系統數據，然后自動(dòng)運行，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。最后把生成的.mcs文件燒寫(xiě)到FPGA PROM中，上電后，系統就能自動(dòng)運行了。 設計結果與分析 在Linux系統正常加載后，我們設計一個(gè)程序，它通過(guò)以太網(wǎng)，從上位機獲得數據，存入FPGA內部 BlockRam中，再在ISE中編寫(xiě)程序，把獲得的數據取出，產(chǎn)生頻率可變的波形發(fā)生器，并回傳發(fā)送的參數給上位機。 通過(guò)實(shí)驗證明，在FPGA加入操作系統后，能輕松實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)，并通過(guò)FPGA自身的邏輯，產(chǎn)生我們需要的各種控制信號，做到了系統的統一調度和各個(gè)功能的并行處理，發(fā)揮了操作系統和FPGA各自的優(yōu)勢。但是也發(fā)現，FPGA下操作系統運行的頻率不高，最多600MHz，中斷響應間隔較長(cháng)，大約3ms左右，系統上電啟動(dòng)時(shí)間較長(cháng)，大約40s左右，這些都需要在今后設計中進(jìn)一步完善和提升。 結語(yǔ) 本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設計流程，從硬件設計到Linux系統加載，再到應用程序運行整個(gè)過(guò)程，從中可以看出，該設計既發(fā)揮了FPGA并行處理和多時(shí)序控制上的優(yōu)勢，也發(fā)揮了嵌入式Linux系統調度和可裁剪性方面的優(yōu)勢，還提高了這個(gè)系統的穩定行，也減少了FPGA 與外部高速總線(xiàn)連接的資源開(kāi)銷(xiāo)，二者的結合, 既滿(mǎn)足了嵌入式應用按需定制、量體裁衣的需求, 又能開(kāi)發(fā)出穩定而功能強大的嵌入式系統，在現在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中有很好的運用。 參考文獻： [1] Xilinx PowerPC 405 Processor Block Reference Guide.2006 [2] Xilinx Virtex-4 User Guide.2005 [3] 田耘, 胡彬. Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA開(kāi)發(fā)指南 [M]. 北京：郵電出版社, 2008 [4] 師若鳴, 姜中華. Fedora Core2系統配置與管理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2005 [5] 盧敏等. 基于Linux的 SoPC應用系統設計[J]. 計算機技術(shù)與應用, 2007(6) [6] 孫航. Xilinx可編程邏輯器件的高級應用與設計技巧[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004 作者：紀斌 鄭志國 李紅兵 中國西南電子技術(shù)研究所 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2010-03-09 |
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牛B，PowerPC都集成到xilinx的FPGA中了 過(guò)兩個(gè)月把老郭的板子拿過(guò)來(lái)用用，看能不能把powerpc跑到spartan6上 |
