基于soc的嵌入式系統(tǒng)解析方案

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序四部分組成，其發(fā)展主要體現(xiàn)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。隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了重大變革，從基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)到基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)，繼而將可編程邏輯 pld(programmable logic device)技術(shù)引入到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)合而成為sopc(system on programmable chip)，使得sopc成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

本文采用sopc內(nèi)嵌32位的軟核處理器nios，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)uart串行口和以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換器)，并基于microtronix公司針對(duì)nios處理器移植的μclinux開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1 基于sopc的嵌入式硬件平臺(tái)構(gòu)建

不同于基于處理器或控制器及soc的嵌入式系統(tǒng)，基于sopc的嵌入式系統(tǒng)具有可配置的特點(diǎn)，不會(huì)包括任何專(zhuān)用外設(shè)，而是可根據(jù)需要靈活地在一片fpga中構(gòu)造外設(shè)接口。

基于sopc的嵌入式系統(tǒng)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(shè)備組成。本文所要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和1片以太網(wǎng)控制器lan91c111。系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。

sopc芯片內(nèi)嵌軟核處理器nios。在sopc芯片中，除了cpu外，可配片上rom、內(nèi)部定時(shí)器、uart串行口、sram、flash接口等系統(tǒng)部件。這些部件均以可編程邏輯部件的形式實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。cpu和所有部件通過(guò)avalon總線連接在一起。

sopc芯片內(nèi)系統(tǒng)模塊和avalon總線模塊均由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(xiàn)芯片內(nèi)的邏輯設(shè)計(jì)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線纜下載到目標(biāo)板的 cyclone芯片中，或?qū)?sof文件轉(zhuǎn)換成.flash文件，下載到目標(biāo)板的flash中。這樣就完成了轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)。

2 基于μclinux的sopc應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)可在硬件平臺(tái)上直接進(jìn)行，但需了解所有硬件部件的細(xì)節(jié)，并編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)子程序，其軟件設(shè)計(jì)難度及工作量大，且可移植性差?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)的應(yīng)用程序，其所有的硬件細(xì)節(jié)均對(duì)用戶屏蔽。對(duì)硬件進(jìn)行直接控制的底層驅(qū)動(dòng)程序均封裝在操作系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口來(lái)完成，用戶只需在高層通過(guò)操作系統(tǒng)所提供的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行編程。μclinux是針對(duì)控制領(lǐng)域的嵌入式linux操作系統(tǒng)，適合如nios處理器等不具備內(nèi)存管理單元(mmu)的微處理器/微控制器?；诓僮飨到y(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需將操作系統(tǒng)加載到硬件平臺(tái)中，μclinux可以以部件的形式集成到sopc系統(tǒng)中。

2.1 加載μclinux系統(tǒng)的步驟

將μclinux加載到sopc目標(biāo)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(biāo)板和 byteblastermv線纜等。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(nèi)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(gòu)建內(nèi)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(nèi)核映像。當(dāng)sopc目標(biāo)板加電，片內(nèi)rom中的germs監(jiān)控程序運(yùn)行后，在[linux developer]…μclinux/：下鍵入nios-runlinux.flash，即下載linux.flash文件到目標(biāo)板上，完成內(nèi)核映像的加載。

2.1.2創(chuàng)建和裝載根文件系統(tǒng)

除了裝載內(nèi)核外，還需裝載根文件系統(tǒng)。μclinux采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少空間。

在主機(jī)上linux的target目錄表示在μclinux下的根(root)目錄。當(dāng)前的腳本和工具可將target目錄轉(zhuǎn)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(biāo)板上，完成μclinux的根文件系統(tǒng)的加載。