基于Linux的SoPC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　SoPC(System on Programmable Chip)是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先，它是一種SoC系統(tǒng)，即由一個(gè)芯片完成系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程的片上系統(tǒng)，即可配置、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，具有硬件系統(tǒng)的可編程性。采用SoPC的設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性。它可以根據(jù)需要定制各個(gè)硬件模塊，包括處理器、總線、存儲(chǔ)器和通信模塊等，這就使得在一個(gè)芯片上搭建一個(gè)按需定制的SoC系統(tǒng)成為可能。而Linux系統(tǒng)也因?yàn)槠淞己玫目刹脺p、可配置的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等，同時(shí)Linux是一個(gè)成熟的開源操作系統(tǒng)，有豐富的應(yīng)用資源。利用這些資源和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，用戶可以基于嵌入式Linux快速地開發(fā)出面向復(fù)雜應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。因此，結(jié)合SoPC和Linux優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)根據(jù)需求量體裁衣，去除冗余。本文給出基于Linux的SoPC應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法及一個(gè)具體的嵌入式應(yīng)用開發(fā)實(shí)例。

　　1 硬件開發(fā)環(huán)境

　　1.1 開發(fā)平臺(tái)

　　本文所采用的開發(fā)平臺(tái)是AVNET公司生產(chǎn)的VIRTEX-II PRO FF1152開發(fā)板，它使用XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA芯片XC2VP50-6FF1152C，同時(shí)開發(fā)板還有2個(gè)8MB×32的SDRAM存儲(chǔ)器、2個(gè)RS232接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)LCD顯示屏、8個(gè)LED燈，同時(shí)支持SPI-4.2的高速16bit LVDS接口、iSFP GbE光纖接口、System ACE接口以及一個(gè)P160標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展模塊[1]。

　　1.2 基于PowerPC的片上系統(tǒng)

　　XC2VP50-6FF1152C芯片內(nèi)部含有兩個(gè)IBM PowerPC 405核。PowerPC405是32位的RISC處理器，它采用IP植入架構(gòu)的形式整合到XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA器件中。
　　
　　PowerPC硬核具有許多優(yōu)點(diǎn)適合軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)[2]：具有三個(gè)定時(shí)器：即可編程的內(nèi)部定時(shí)器、固定的內(nèi)部定時(shí)器和看門狗定時(shí)器和靈活的存儲(chǔ)管理和用于加強(qiáng)計(jì)算功能的乘法累加指令。PowerPC的強(qiáng)大功能可以勝任許多復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)處理能力和運(yùn)算速度的需求。同時(shí)，利用雙核機(jī)制以及操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度可以大幅度地提高處理速度。

    通過(guò)XILINX公司的EDK開發(fā)軟件，可以很方便地在Virtex-II Pro系列芯片上搭建自己需要的硬件系統(tǒng)。處理器方面可以選擇硬核IP：PPC405，或者軟核IP：Microblaze；總線有OPB和PLB兩種總線可供選擇；同時(shí)，還有豐富的外圍IP可以選擇；在通信方面，分別有支持高速和低速的通信模塊。支持高速的IP有：plb_etherne、opb_ethernet、opb_ethernetlite和plb_gemac等，支持低速的IP有：opb_iic、opb_spi、opb_uart16550和opb_uartlite等；在存儲(chǔ)控制器方面，可選擇的 IP有opb_sdram、opb_ddr、opb_emc、opb_sysace、plb_sdram、 plb_ddr和plb_emc等模塊；其他方面還有支持中斷、定時(shí)、GPIO、PCI等功能的IP模塊。豐富的IP模塊，加上可以利用IPIC（IP Interconnect）連接用戶定制的IP，因而用戶使用CPU時(shí)，不需要再另外使用一個(gè)SDRAM控制器芯片，或者另外使用一個(gè)以太網(wǎng)的控制芯片，極其方便。

　　可編程片上系統(tǒng)由處理器、總線互連和外圍設(shè)備等組成，典型的基于PowerPC的片上系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

　　1.3 CoreConnect的總線結(jié)構(gòu)[3]

　　總線互連是片上系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)采用了CoreConnect的總線結(jié)構(gòu)。該總線結(jié)構(gòu)是IBM公司開發(fā)的一種片上通信的總線互連技術(shù)。它的應(yīng)用使得系統(tǒng)核、外設(shè)核、處理器核的復(fù)用、連接變得更加容易。這里，系統(tǒng)核是針對(duì)PLB總線上的功能IP模塊的，而外設(shè)核是針對(duì)OPB總線上的功能模塊的。CoreConnect總線互連是由本地邏輯總線PLB（Peripheral Logic Bus）、片上外圍總線 OPB（On chip Peripheral Bus）、一個(gè)總線橋、兩個(gè)判決器，以及設(shè)備控制總線DCR（Device Control Register構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 基于Linux的SoPC系統(tǒng)構(gòu)建

　　系統(tǒng)的構(gòu)建包括，硬件平臺(tái)的搭建和Linux操作系統(tǒng)的移植。首先進(jìn)行項(xiàng)目需求分析，決定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的硬件IP核，繼而搭建硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)構(gòu)建完成之后，利用EDK軟件生成相關(guān)的硬件參數(shù)文件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件。用戶需要利用生成的文件構(gòu)建Linux內(nèi)核，同時(shí)需要構(gòu)建適用于內(nèi)核的根文件系統(tǒng)，最后在構(gòu)建完成的操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)所需功能的應(yīng)用程序接口。其中根文件系統(tǒng)的構(gòu)造要考慮內(nèi)核中提供的服務(wù)和功能以及應(yīng)用程序所需的系統(tǒng)命令等。同樣所要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能又影響著內(nèi)核服務(wù)和功能的選擇。根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口以及內(nèi)核三者是互相影響的。具體的構(gòu)建流程圖如圖3所示。

　　2.1 利用EDK搭建硬件系統(tǒng)

　　利用EDK8.2軟件搭建硬件系統(tǒng)，因?yàn)榛贚inux的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU、RAM和總線是必須的。由于芯片內(nèi)部的BRAM只有128kb/s, 而下載Linux內(nèi)核的.elf文件通常遠(yuǎn)大于這個(gè)容量，因此需要使用外部的存儲(chǔ)單元。本文使用opb_sdram存儲(chǔ)控制模塊實(shí)現(xiàn)此功能。本文使用Uart16550控制模塊，能方便地通過(guò)RS232端口觀察測(cè)試的結(jié)果。為滿足本文應(yīng)用的需要，可以使用Uartlite模塊實(shí)現(xiàn)RS232的COM2端口和外部設(shè)備通信的功能。添加Ethernet_Mac的IP模塊，可使用以太網(wǎng)端口將開發(fā)板連接到網(wǎng)絡(luò)上。為了調(diào)試的方便，可以加入GPIO模塊。通過(guò)GPIO控制LED燈，可顯示系統(tǒng)狀態(tài)。若選擇應(yīng)用程序初始化硬件，當(dāng)bit數(shù)據(jù)下載到FPGA系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可以觀察到LED燈被點(diǎn)亮。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，也可以掛載用戶定制的IP，以處理用戶的特定的需求。

　　選擇參數(shù)時(shí)，可以使用默認(rèn)值，而存儲(chǔ)器參數(shù)可以選擇容量大一些的。使用的PowerPC 405硬核，PPC的工作頻率設(shè)置為100MHz, 參考時(shí)鐘和系統(tǒng)的總線頻率也分別設(shè)置為100MHz；使用的BRAM模塊IBRAM和DBRAM速率分別設(shè)置為64Kb/s。最終定制的SoPC硬件系統(tǒng)如圖4所示。

　　2.2  SoPC的Linux系統(tǒng)構(gòu)建

　　在SoPC的硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成之后，利用EDK軟件生成的板級(jí)支持包（BSP）配置編譯內(nèi)核。BSP包含了所選定處理器架構(gòu)的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)源文件。將這些文件加入到Linux內(nèi)核中，然后配置內(nèi)核選項(xiàng)選擇對(duì)應(yīng)的處理器架構(gòu)、所選硬件的驅(qū)動(dòng)模塊以及需要的其他內(nèi)核模塊，之后再對(duì)完成配置的內(nèi)核進(jìn)行編譯，生成Linux的內(nèi)核image文件。

　　生成內(nèi)核image文件之后，還需要生成系統(tǒng)運(yùn)行所需要的根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)中包含了嵌入式Linux系統(tǒng)的所有應(yīng)用程序、庫(kù)以及系統(tǒng)配置等相關(guān)文件。根文件系統(tǒng)中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構(gòu)造。構(gòu)造完成之后，在Busybox生成的目錄和文件的基礎(chǔ)上再構(gòu)造根文件系統(tǒng)的目錄樹，并添加相關(guān)設(shè)備文件和配置文件以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的腳本文件，從而形成最終的根文件系統(tǒng)。至此,就可以將文件系統(tǒng)作為映像編譯到內(nèi)核中，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用NFS文件系統(tǒng)加載根文件系統(tǒng)。

3  應(yīng)用舉例

　　以一個(gè)多進(jìn)程的嵌入式Web服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)控制遠(yuǎn)程設(shè)備的的開發(fā)為例，闡述在基于Linux的SoPC系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序的過(guò)程。嵌入式Web服務(wù)器的開發(fā)包括HTTP協(xié)議裁減和具體的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。用戶可以通過(guò)向Web服務(wù)器發(fā)送CGI請(qǐng)求的方式使服務(wù)器通過(guò)串口和外部設(shè)備通信，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

　　3.1 HTTP協(xié)議裁減

　　嵌入式Web服務(wù)器主要基于HTTP協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，而HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)又是基于TCP/IP協(xié)議棧的。在Linux內(nèi)核中，由于已經(jīng)包含了TCP/IP協(xié)議棧的完整實(shí)現(xiàn)，從而為嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)提供了很好的基礎(chǔ)。相對(duì)于在無(wú)操作系統(tǒng)環(huán)境的SoPC上實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器來(lái)說(shuō)，基于Linux系統(tǒng)的開發(fā)可以節(jié)省大量的工作。

　　HTTP協(xié)議是一個(gè)屬于應(yīng)用層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，由于其采用簡(jiǎn)捷、快速的方式，適用于分布式超媒體信息系統(tǒng)[4]。嵌入式Web服務(wù)器根據(jù)不同的需要，實(shí)現(xiàn)的功能也不同。相對(duì)于完整的Web服務(wù)器，它需要實(shí)現(xiàn)的功能要簡(jiǎn)單得多[5]。本文的嵌入式Web服務(wù)器僅實(shí)現(xiàn)協(xié)議中最常用的部分?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間和處理能力，對(duì)HTTP協(xié)議進(jìn)行了裁減。這不僅可以提高Web服務(wù)器的效率，也可以減少占用的空間，具有積極的意義。

　　當(dāng)客戶機(jī)與Web服務(wù)器進(jìn)行會(huì)話時(shí)，客戶機(jī)首先通過(guò)SOCKET與服務(wù)器建立連接，連接之后便向服務(wù)器提出請(qǐng)求，請(qǐng)求信息包括希望返回的文件名和客戶機(jī)信息等。客戶機(jī)以請(qǐng)求頭(包括HTTP方法和頭字段[6])的形式將信息發(fā)送給服務(wù)器。HTTP方法常用的有GET、HEAD、POST，因此本文即采用GET、HEAD、POST三種方法。

　　HTTP頭字段包括general-header、request-header、response-header、entity-header四大類,而每一類中又定義了多個(gè)類型[6]，其中的大部分都是不常用的，所以應(yīng)根據(jù)需要選定幾種類型。本文設(shè)計(jì)的服務(wù)器支持以下幾種頭類型：Date、Host、Server、Accept、Connection、Content-Type、Content-Length、Accept-Charset、 Accept-Language。

　　服務(wù)器收到一個(gè)請(qǐng)求，就會(huì)立刻解釋請(qǐng)求中所用到的方法，并開始處理，處理完成之后會(huì)發(fā)送應(yīng)答消息。應(yīng)答消息包含了狀態(tài)碼、一些頭字段以及實(shí)體信息（即客戶請(qǐng)求的服務(wù)器上的資源內(nèi)容），其中HTTP協(xié)議的狀態(tài)碼也有四大類[6]。這些狀態(tài)碼詳細(xì)說(shuō)明了服務(wù)器的狀態(tài)、出錯(cuò)信息以及對(duì)用戶的指示。由于嵌入式Web服務(wù)器只需向用戶提供服務(wù)，而無(wú)需向用戶反饋具體的狀態(tài)，因此，本文實(shí)現(xiàn)中只保留特定的幾種錯(cuò)誤信息，而省略了大部分的狀態(tài)信息。

　　3.2 支持多進(jìn)程的嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)HTTP協(xié)議進(jìn)行了裁減，然后利用Linux系統(tǒng)提供的進(jìn)程調(diào)度功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能（包括SOCKET、TCP連接等），使用C語(yǔ)言編寫了一個(gè)支持多進(jìn)程的Web服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)的Web服務(wù)器接收客戶端的請(qǐng)求，根據(jù)需要選擇發(fā)送文件通過(guò)串口和外部設(shè)備通信，并將外部設(shè)備返回的結(jié)果發(fā)送給客戶端。其功能描述如下：在指定的端口監(jiān)聽用戶的HTTP請(qǐng)求，對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行分析解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作；將用戶要求的內(nèi)容或者出錯(cuò)信息以HTTP應(yīng)答的方式返回給用戶。其中，用戶的請(qǐng)求分為CGI請(qǐng)求和非CGI請(qǐng)求，如果是CGI請(qǐng)求，則首先檢查用戶的權(quán)限和文件是否存在，然后新創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，并在該子進(jìn)程中通過(guò)串口和外部設(shè)備通信，最后將串口返回的結(jié)果或者出錯(cuò)信息傳送給Web服務(wù)器返回給用戶；如果是非CGI請(qǐng)求，則只進(jìn)行權(quán)限和文件檢查，如果檢查通過(guò)則發(fā)送該文件，否則給出出錯(cuò)信息。軟件的工作流程如圖5所示。

　　本文給出了基于Linux的SoPC開發(fā)的方法，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)——嵌入式Web服務(wù)器。該設(shè)計(jì)快速、簡(jiǎn)單，而且由于基于Linux操作系統(tǒng)，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)因?yàn)槔昧讼到y(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度功能，加快了信息的處理速度。SoPC和嵌入式Linux操作系統(tǒng)二者的結(jié)合，既滿足了嵌入式應(yīng)用按需定制、量體裁衣的需求，又能開發(fā)出穩(wěn)定而功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)。這在嵌入式應(yīng)用日益復(fù)雜的背景下，具有很大意義和良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]  AVNET. Virtex-II Pro FF1152 development board user’s guide. https://www.em.avnet.com. 2005.
[2]  董代潔.基于FPGA的可編程SoC設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[3]  IBM. Core connect bus architecture. http://www-03.ibm.com/chips/products/coreconnect/. 2004.
[4]  DOUGLAS E C.用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互聯(lián)(第一卷):原理、協(xié)議與結(jié)構(gòu). 第四版.林瑤,譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2001.
[5]  劉殿敏, 李科杰. 基于Linux嵌入式HTTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2004,(23):193-195.
[6]  FIELDING R, GETTYS J, MOGUL J, et al.RFC2616: Hypertext transfer protocol——HTTP/1.1. The Internet Engineering Task Force, June 1999.