基于nios和μClinux的嵌入式系統設計

　　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。

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　　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

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　　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

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　　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。

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　　網絡發送線程(流程圖如圖6所示)和串口接收線程(流程圖如圖7所示)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8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。