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引言 隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的進(jìn)步和制造工藝水平的提高，嵌入式系統的開(kāi)發(fā)變得日益復雜。傳統的嵌入式系統設計方法已經(jīng)不能適應當前嵌入式系統設計的需要。單個(gè)芯片容量的增大、功能的增加、體積的減小使得設計變得更加便利，同時(shí)也為嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的天地，即出現了可編程片上系統(System On Programmable Chip，SOPC)技術(shù)。SOPC技術(shù)大大促進(jìn)了軟硬件協(xié)同設計及計算機系統設計自動(dòng)化的發(fā)展，并具有可裁剪、可擴充、可升級的靈活設計方式及在系統可編程功能。 通常，嵌入式系統的軟件部分主要基于實(shí)時(shí)操作系統(簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS)，在特定的RTOS 之上開(kāi)發(fā)應用軟件。通過(guò)屏蔽掉許多底層硬件細節的方法，可以使得程序開(kāi)發(fā)人員改進(jìn)軟件功能、提高設計效率、降低開(kāi)發(fā)難度，同時(shí)使得程序調試方便、移植簡(jiǎn)單、容易維護，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。uClinux 是一種廣泛應用于嵌入式設備中的實(shí)時(shí)操作系統，針對微控制器領(lǐng)域而設計。它的特點(diǎn)是較好的穩定性、出色的網(wǎng)絡(luò )功能和高效的文件系統支持等。最大特征就是不使用內存管理單元模塊（MMU：Memory Management Unit），很適合那些沒(méi)有MMU 的處理器。如把uClinux 操作系統移植于SOPC 系統，便可以使得此類(lèi)系統大大縮短軟硬件開(kāi)發(fā)的時(shí)間，并可進(jìn)一步增強整體功能。 1 SOPC 硬件系統的建立 1.1 硬件系統架構 不同于許多基于微處理器的嵌入式系統，基于SOPC 的嵌入式系統具有可配置的特點(diǎn)，可根據需要靈活地在一片FPGA 中構造外設接口。本文構建的最小系統可運行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。系統體系架構如圖1 所示。 
1.2 SOPC 硬件開(kāi)發(fā) Nios Ⅱ系列嵌入式處理器是一款采用流水線(xiàn)技術(shù)、單指令流的RISC CPU，廣泛應用于嵌入式系統。Nios Ⅱ包括3 種內核：快速的F(最高性能的優(yōu)化)內核、經(jīng)濟的E(最小邏輯占用的優(yōu)化)內核以及標準的S(平衡于性能和尺寸)內核，每種內核根據不同的性能而優(yōu)化。Nios Ⅱ嵌入式CPU 支持32 位指令集、32 位數據線(xiàn)寬度、32 個(gè)通用寄存器、32 個(gè)外部中斷源、2 GB 尋址空間，包含高達256 個(gè)用戶(hù)自定義的CPU 定制指令。NI0S Ⅱ CPU 的所有數據、程序都是通過(guò)Avalon 總線(xiàn)傳輸的，通過(guò)使用Altera 的Quartus Ⅱ軟件以及SOPCBuilder 工具可以輕松地將Nios Ⅱ內核嵌入到系統里。 SOPC 硬件開(kāi)發(fā)主要使用Quartus Ⅱ和SOPC Builder。由于本系統中使用到DDR SDRAM，所以在系統開(kāi)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處理器內核和Nios Ⅱ開(kāi)發(fā)套件提供的外設列表中選取合適的CPU、存儲器以及各外圍器件（如片內存儲器、PIO、定時(shí)器、UART、片外存儲器接口等），并定制和配置它們的功能、分配外設地址及中斷號、設定復位地址、最后生成系統。用戶(hù)也可以添加用戶(hù)自身定制指令邏輯到Nios Ⅱ內核以加速CPU 性能，或添加用戶(hù)外設以減輕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系統后，將其集成到整個(gè)Quartus Ⅱ工程中。根據需要在工程中加入Nios Ⅱ系統以外的邏輯，用戶(hù)也可以集成自身定制的硬件模塊到SOPC 設計之中，或集成從Altera 或第3 方IP 供應商得到的其它現成的知識產(chǎn)權設計模塊。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 本系統使用的是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 的內核，目前在Nios Ⅱ上運行最為穩定。在Nios Ⅱ上實(shí)現uClinux 操作系統環(huán)境主要包括兩個(gè)部分，一是針對Nios Ⅱ處理器移植的uClinux 內核，二是建立一個(gè)包含基本系統工具和應用程序的根文件系統。 2.1 建立uClinux 內核 該項工作主要需在Nios II IDE 環(huán)境中利用Microtronix Nios Ⅱ包構建Linux KernelProject，并根據用戶(hù)硬件系統在SOPC Builder System 欄中選擇目標硬件。在Memory Device欄中選擇uClinux 內核上傳的位置（FLASH）以及內核運行的位置（SDRAM），完成生成內核的配置�；氐絅ios 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(shí)在uClinux_kernel 上點(diǎn)擊右鍵選擇ConfigureKernel，進(jìn)入uClinux 內核配置界面，并根據硬件系統進(jìn)行uClinux 內核配置。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 系統沒(méi)有外部IDE 接口外設； （3）Device Drivers--->Character devices--->Nios PIO buttons support 選項關(guān)掉，因為系統中沒(méi)有buttons PIO，若選擇則會(huì )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(guò)RS232 串口與系統進(jìn)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(diǎn)擊uClinux_kernel 選擇Build Project 編譯內核。編譯完成后，在ProjectNavigator 窗口中展開(kāi)uClinux_kernel 工程�？梢钥吹�，在uClinux_kernel 的目錄中，已經(jīng)生成了vmlinux.bin 文件。在該文件上點(diǎn)擊右鍵選擇Upload 即可啟動(dòng)燒寫(xiě)程序，將生成的內核二進(jìn)制文件vmlinux.bin 寫(xiě)入Flash 芯片中。 2.2 建立uClinux 文件系統 uClinux 文件系統的建立與uClinux 內核的建立方法類(lèi)似，也是在Nios II IDE 環(huán)境中利用Microtronix Nios Ⅱ程序包構建Linux Filesystem Project。在SOPC Builder System欄中選擇目標硬件（與建立uClinux_kernel 工程時(shí)選擇的硬件系統相同），在Memory Device欄中確定uClinux 文件系統上傳的位置（FLASH）。在文件系統基本工具和應用程序選擇窗口中，根據硬件系統情況以及應用方向選擇在文件系統中要生成的基本工具和應用程序。用戶(hù)也可以點(diǎn)擊右邊的Install Minimal 按鈕，只選擇必須的工具和應用程序。這種情況下生成的基本文件系統僅為872K，很適合資源緊湊的開(kāi)發(fā)平臺。 為了精簡(jiǎn)系統，選擇Install Minimal，點(diǎn)擊Finish 完成基本文件系統的配置�；氐絅ios 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。與處理內核文件相同，再將romfs.bin 文件寫(xiě)入Flash中。至此，uClinux 的內核和文件系統都已經(jīng)存在于目標硬件系統（開(kāi)發(fā)板）中的Flash 芯片上了。Nios II 處理器復位之后就能從Flash 中引導啟動(dòng)，進(jìn)入uClinux 操作系統。 2.3 運行并登陸uClinux 操作系統 進(jìn)入Quartus 的編程窗口，將編譯生成的.sof 文件下載到硬件系統（開(kāi)發(fā)板）上。通過(guò)超級終端或DNW 程序可以看到，uClinux 的啟動(dòng)信息已經(jīng)從DNW 窗口輸出，并等待與用戶(hù)通信。輸入ls 命令可以看到配置uClinux_fs 時(shí)所選擇的基本工具和應用程序。至此，已經(jīng)成功定制并登陸到uClinux 系統中。DNW 軟件輸出的uClinux 系統啟動(dòng)信息如圖3 所示。
3 建立并執行用戶(hù)應用程序 3.1 建立用戶(hù)應用程序 利用Microtronix Nios Ⅱ完成uClinux 應用程序工程的創(chuàng )建后，在Project Navigator窗口中可以看到一個(gè)空的工程�？尚陆�.c 文件及makefile 文件向工程中添加用戶(hù)程序代碼，也可導入已建立好的.c 文件及makefile 文件。這里選用較為通用的新建方法為例進(jìn)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 可執行文件.exe 文件。 3.2 下載并運行用戶(hù)應用程序 有多種方法將Nios II uClinux 可執行文件.exe 文件傳輸到uClinux 系統中并運行，一般首選ftp 和NFS 方法。鑒于本例沒(méi)有包含網(wǎng)絡(luò )系統，所以選用修改文件系統內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(xiě)入Flash 芯片中，啟動(dòng)登陸uClinux 操作系統，進(jìn)入/bin 目錄�？梢钥吹�，拷貝到文件系統中的.exe 程序已經(jīng)出現在/bin 目錄中。執行后則在DNW 窗口得到程序執行的結果，例如打印輸出：My first Nios2 uClinux Program ！其效果示于圖4。
4 結束語(yǔ) 嵌入式系統設計是一門(mén)綜合性很強的學(xué)科，其相關(guān)研究?jì)热莺图夹g(shù)具有高度融合的特點(diǎn)�；谛路f、高效、業(yè)已成熟的基本器件及開(kāi)發(fā)環(huán)境，SOPC 使得測量和控制領(lǐng)域中直接面向應用的研究更加現實(shí)、可行。依托于“強電磁場(chǎng)環(huán)境模擬與防護技術(shù)”國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，本文構建了一個(gè)SOPC 系統，定制了Nios II 處理器軟核，進(jìn)而完成了uClinux 操作系統的剪裁與移植和應用程序的基本開(kāi)發(fā)、調試工作，并投入到了后續實(shí)驗之中。此外，這種方式不僅有助于大大縮短嵌入式系統的軟硬件開(kāi)發(fā)時(shí)間，又為一般實(shí)驗條件下的相關(guān)控制系統提供了可行的設計思路和實(shí)現方法，并可望具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應用領(lǐng)域。 本文創(chuàng )新點(diǎn)：構建了可移植uClinux 的最小SOPC 系統，并成功完成了uClinux 的移植工作， 縮短了SOPC 系統的開(kāi)發(fā)周期、拓展了uClinux 的應用領(lǐng)域。 作者：巨政權 來(lái)源：《微計算機信息》2009年第4-2期 |
