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嵌入式系統一 般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)應用程序四部分組成，其發(fā)展主要體現在芯片技術(shù)的進(jìn)步上，以及在芯片技術(shù)限制下的算法與軟件的進(jìn)步上。隨著(zhù)芯片制造技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統的結構也隨之發(fā)生了重大變革，從基于微處理器的嵌入式系統到基于微控制器的嵌入式系統，繼而將可編程邏輯pld(programmable logic device)技術(shù)引入到嵌入式系統設計中，進(jìn)而又發(fā)展到soc(system on chip)，最終將pld與嵌入式處理器結合而成為sopc(system on programmable chip)，使得sopc成為嵌入式系統設計的一個(gè)發(fā)展趨勢。 本文采用sopc內嵌32位的軟核處理器nios，實(shí)現了一個(gè)uart串行口和以太網(wǎng)接口的轉換器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)轉換器)，并基于microtronix公司針對nios處理器移植的μclinux開(kāi)發(fā)了應用程序．其系統結構如圖l所示。 1 基于sopc的嵌入式硬件平臺構建 不同于基于處理器或控制器及soc的嵌入式系統，基于sopc的嵌入式系統具有可配置的特點(diǎn)，不會(huì )包括任何專(zhuān)用外設，而是可根據需要靈活地在一片fpga中構造外設接口。 基于sopc的嵌入式系統主要由1片核心芯片sopc和片外器件，以及一些相關(guān)的接口設備組成。本文所要實(shí)現的轉換器采用altera公司的cyclone芯片及外圍電路組成，其中外圍電路包括2片512 kb的sram、l片8mb的flash、uart電子轉換器和1片以太網(wǎng)控制器lan91c111。系統電路框圖如圖2所示。 sopc芯片內嵌軟核處理器nios。在sopc芯片中，除了cpu外，可配片上rom、內部定時(shí)器、uart串行口、sram、flash接口等系統部件。這些部件均以可編程邏輯部件的形式實(shí)現，芯片內部部件結構圖如圖3所示。cpu和所有部件通過(guò)avalon總線(xiàn)連接在一起。 sopc芯片內系統模塊和avalon總線(xiàn)模塊均由sopcbuilder工具自動(dòng)生成，利用qualtus ii集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可實(shí)現芯片內的邏輯設計及其引腳定義。經(jīng)編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過(guò)byteblasterii線(xiàn)纜下載到目標板的cyclone芯片中，或將.sof文件轉換成.flash文件，下載到目標板的flash中。這樣就完成了轉換器的硬件設計。 2 基于μclinux的sopc應用程序開(kāi)發(fā) 應用程序的開(kāi)發(fā)可在硬件平臺上直接進(jìn)行，但需了解所有硬件部件的細節，并編寫(xiě)相應的驅動(dòng)子程序，其軟件設計難度及工作量大，且可移植性差�；谇度胧讲僮飨到y的應用程序，其所有的硬件細節均對用戶(hù)屏蔽。對硬件進(jìn)行直接控制的底層驅動(dòng)程序均封裝在操作系統內，通過(guò)設備驅動(dòng)程序接口來(lái)完成，用戶(hù)只需在高層通過(guò)操作系統所提供的系統調用進(jìn)行編程。μclinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式linux操作系統，適合如nios處理器等不具備內存管理單元(mmu)的微處理器／微控制器�；诓僮飨到y進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需將操作系統加載到硬件平臺中，μclinux可以以部件的形式集成到sopc系統中。 2.1 加載μclinux系統的步驟 將μclinux加載到sopc目標板上時(shí)需提供一個(gè)交叉編譯環(huán)境，硬件要求具有一個(gè)串口的pc工作站、基于nios處理器的sopc目標板和byteblastermv線(xiàn)纜等。軟件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios開(kāi)發(fā)包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios開(kāi)發(fā)包所提供的cygwin安裝，以及quartus ii可編程邏輯開(kāi)發(fā)工具v2.2等。 2.1.1 創(chuàng )建和裝載內核映像 創(chuàng )建和裝載μclinux映像文件在linux developerbash環(huán)境下進(jìn)行，首先需按下列步驟配置和構建內核。 [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 生成的linux.flash文件即為μclinux內核映像。當sopc目標板加電，片內rom中的germs監控程序運行后，在[linux developer]…μclinux／：下鍵入nios-runlinux.flash，即下載linux.flash文件到目標板上，完成內核映像的加載。 2.1.2創(chuàng )建和裝載根文件系統 除了裝載內核外，還需裝載根文件系統。μclinux采用romfs文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少空間。 在主機上linux的target目錄表示在μclinux下的根(root)目錄。當前的腳本和工具可將target目錄轉換成映像文件(romdisk.flash)，按如下步驟創(chuàng )建： [linux developer]…μclinux／：make clean_target [linux developer]…μclinux／：make romfs 然后鍵入以下命令： [linux developer]…μclinux／：nios-run romdisk.flash 即將romdisk.flash文件下載到目標板上，完成μclinux的根文件系統的加載。 2.1.3 加載應用程序 用戶(hù)應用程序可通過(guò)target目錄加載到根文件系統中，可根據需要重建romdisk映像。應用程序在userland目錄下，編譯生成運行文件后拷貝到target目錄樹(shù)中，并根據target目錄的內容創(chuàng )建romdisk.flash文件。新建一個(gè)應用程序，首先打開(kāi)一個(gè)linuxdeveloperbash窗，在userland目錄中創(chuàng )建一個(gè)目錄app，應用程序源文件存放在此目錄中，然后在userland／app／中建立一個(gè)makefile文件。 makefile內容如下所示，其中appfile為應用程序名。 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 運行make對應用程序進(jìn)行編譯并修改userland／．eonfig和／userland／makefile文件。在userland／．config文件中，增加一行config_my_app=y，在userland／makefile文件中，增加dir_$(config_my_app)+=app，進(jìn)入userland子目錄，運行make，即可將應用程序安裝到userland／bin中，并根據userland／．config文件中相應變量的指示將應用程序二進(jìn)制拷貝到target目錄中。 最后，鍵入以下命令重新構建romdisk映像文件(romdisk.flash)，并下載到目標板上。 [linux developer]…uclinux／：make clean_target [linux developer]…uclinux／：make romfs [linux developer]…uclinux／：nios-run romdisk.flash 2.1.4 運行μclinux 完成μclinux內核及文件系統的裝載后，即可運行μclinux。鍵入g800000(800000為啟動(dòng)代碼地址，在sopc builder中設置)，μclinux自動(dòng)完成初始化過(guò)程，用戶(hù)輸入登錄用戶(hù)名nios，密碼μclinux，出現μclinux的提示符#，表示已進(jìn)入μclinux運行環(huán)境。 2.2 轉換器應用程序的實(shí)現 轉換器應用系統主要完成網(wǎng)絡(luò )接口和串行接口間的數據傳輸，所傳輸的數據流如圖4所示。μclinux操作系統中提供了網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序和串口驅動(dòng)程序，并提供了多線(xiàn)程的支持。 轉換器應用系統中的串口收發(fā)數據和網(wǎng)絡(luò )口收發(fā)數據是異步進(jìn)行的，可分別作為一個(gè)任務(wù)來(lái)對待，任務(wù)間是并發(fā)的，因此可采用多線(xiàn)程程序設計技術(shù)來(lái)實(shí)現多任務(wù)間的并發(fā)執行，系統主程序流程圖如圖5所示。 在此應用系統中有4個(gè)任務(wù)，分別創(chuàng )建4個(gè)線(xiàn)程：網(wǎng)絡(luò )接收線(xiàn)程、網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程、串口接收線(xiàn)程和串口發(fā)送線(xiàn)程。這4個(gè)線(xiàn)程可并發(fā)執行．因網(wǎng)絡(luò )速度與串口速度存在著(zhù)差異，需設置相應的緩沖區來(lái)對收發(fā)數據進(jìn)行緩沖。在此應用系統中設置兩個(gè)環(huán)形緩沖區，如圖4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收網(wǎng)絡(luò )數據，供存儲從網(wǎng)絡(luò )口接收的數據，然后串口從此緩沖區中取出數據發(fā)送。另一緩沖區uartrv_netsd_bur用于接收串口數據，然后網(wǎng)絡(luò )口取出此緩沖區中數據發(fā)送出去。 線(xiàn)程間需實(shí)現相互通信和同步，共用緩沖區既要互斥執行又要同步執行，其操作遵循生產(chǎn)者和消費者模型。線(xiàn)程間的互斥操作采用互斥鎖(mu-tex)來(lái)實(shí)現。線(xiàn)程間的同步通過(guò)設置兩個(gè)指針來(lái)實(shí)現，一個(gè)是讀指針，另一個(gè)是寫(xiě)指針，寫(xiě)指針指向隊頭，初始化為0，讀指針指向隊尾，初始化為bufsize-1。當寫(xiě)數據時(shí)，比較讀寫(xiě)指針是否相等，相同則寫(xiě)線(xiàn)程阻塞；不相等，則寫(xiě)入數據，然后將寫(xiě)指針加1。當讀數據時(shí)，讀指針加1，然后比較讀寫(xiě)指針是否相等，相等則讀線(xiàn)程阻塞；不相等，則讀出數據。 網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程(流程圖如圖6所示)和串口接收線(xiàn)程(流程圖如圖7所示)間共用環(huán)形緩沖區uartrv_netsd_buf。串口發(fā)送線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò )接收線(xiàn)程共用環(huán)形緩沖區netrv_uartsd_buf。兩線(xiàn)程間的關(guān)系和處理類(lèi)似網(wǎng)絡(luò )發(fā)送線(xiàn)程和串口接收線(xiàn)程。 3 系統測試 完成轉換器的軟硬件設計后，按如圖8所示，連接系統進(jìn)行轉換器數據的傳輸測試。在pc機a上運行串口收發(fā)程序，而在pc機b上運行以太網(wǎng)收發(fā)程序，經(jīng)測試后數據傳輸無(wú)誤。 |
