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基于nios和μClinux的嵌入式系統設計

時間:2007-12-28 11:47:00來源:caojing

導語:?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應用程序四部分組成,其發展主要體現在芯片技術的進步上,以及在芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。
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應用程序四部分組成,其發展主要體現在芯片技術的進步上,以及在芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。 隨著芯片制造技術的發展,嵌入式系統的結構也隨之發生了重大變革,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)技術引入到嵌入式系統設計中,進而又發展到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發展趨勢。 本文采用sopc內嵌32位的軟核處理器nios,實現了一個uart串行口和以太網接口的轉換器(以下簡稱轉換器),并基于microtronix公司針對nios處理器移植的μClinux開發了應用程序.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,不會包括任何專用外設,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,以及一些相關的接口設備組成。本文所要實現的轉換器采用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現,芯片內部部件結構圖如圖3所示。cpu和所有部件通過avalon總線連接在一起。
sopc芯片內系統模塊和avalon總線模塊均由sopcbuilder工具自動生成,利用qualtus ii集成開發環境可實現芯片內的邏輯設計及其引腳定義。經編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件,通過byteblasterii線纜下載到目標板的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應用程序開發 應用程序的開發可在硬件平臺上直接進行,但需了解所有硬件部件的細節,并編寫相應的驅動子程序,其軟件設計難度及工作量大,且可移植性差。基于嵌入式操作系統的應用程序,其所有的硬件細節均對用戶屏蔽。對硬件進行直接控制的底層驅動程序均封裝在操作系統內,通過設備驅動程序接口來完成,用戶只需在高層通過操作系統所提供的系統調用進行編程。μclinux是針對控制領域的嵌入式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。基于操作系統進行開發,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目標板上時需提供一個交叉編譯環境,硬件要求具有一個串口的pc工作站、基于nios處理器的sopc目標板和byteblastermv線纜等。軟件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios開發包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios開發包所提供的cygwin安裝,以及quartus ii可編程邏輯開發工具v2.2等。 2.1.1 創建和裝載內核映像 創建和裝載μclinux映像文件在linux developerbash環境下進行,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 用戶應用程序可通過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目錄樹中,并根據target目錄的內容創建romdisk.flash文件。新建一個應用程序,首先打開一個linuxdeveloperbash窗,在userland目錄中創建一個目錄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為啟動代碼地址,在sopc builder中設置),μclinux自動完成初始化過程,用戶輸入登錄用戶名nios,密碼μclinux,出現μclinux的提示符#,表示已進入μclinux運行環境。 2.2 轉換器應用程序的實現 轉換器應用系統主要完成網絡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絡驅動程序和串口驅動程序,并提供了多線程的支持。
轉換器應用系統中的串口收發數據和網絡口收發數據是異步進行的,可分別作為一個任務來對待,任務間是并發的,因此可采用多線程程序設計技術來實現多任務間的并發執行,系統主程序流程圖如圖5所示。
在此應用系統中有4個任務,分別創建4個線程:網絡接收線程、網絡發送線程、串口接收線程和串口發送線程。這4個線程可并發執行.因網絡速度與串口速度存在著差異,需設置相應的緩沖區來對收發數據進行緩沖。在此應用系統中設置兩個環形緩沖區,如圖4所示,其中nctrv_uartsd_buf用于接收網絡數據,供存儲從網絡口接收的數據,然后串口從此緩沖區中取出數據發送。另一緩沖區uartrv_netsd_bur用于接收串口數據,然后網絡口取出此緩沖區中數據發送出去。 線程間需實現相互通信和同步,共用緩沖區既要互斥執行又要同步執行,其操作遵循生產者和消費者模型。線程間的互斥操作采用互斥鎖(mu-tex)來實現。線程間的同步通過設置兩個指針來實現,一個是讀指針,另一個是寫指針,寫指針指向隊頭,初始化為0,讀指針指向隊尾,初始化為bufsize-1。當寫數據時,比較讀寫指針是否相等,相同則寫線程阻塞;不相等,則寫入數據,然后將寫指針加1。當讀數據時,讀指針加1,然后比較讀寫指針是否相等,相等則讀線程阻塞;不相等,則讀出數據。 網絡發送線程(流程圖如圖6所示)和串口接收線程間共用環形緩沖區uartrv_netsd_buf。串口發送線程和網絡接收線程共用環形緩沖區netrv_uartsd_buf。兩線程間的關系和處理類似網絡發送線程和串口接收線程。
3 系統測試 完成轉換器的軟硬件設計后,按如圖7所示,連接系統進行轉換器數據的傳輸測試。在pc機a上運行串口收發程序,而在pc機b上運行以太網收發程序,經測試后數據傳輸無誤。

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