基于nios和μClinux的嵌入式系统设计

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成，其发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。随着芯片制造技术的发展，嵌入式系统的结构也随之发生了重大变革，从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统，继而将可编程逻辑 pld(programmable logic device)技术引入到嵌入式系统设计中，进而又发展到soc(system on chip)，最终将pld与嵌入式处理器结合而成为sopc(system on programmable chip)，使得sopc成为嵌入式系统设计的一个发展趋势。
   本文采用sopc内嵌32位的软核处理器nios，实现了一个uart串行口和以太网接口的转换器(以下简称转换器)，并基于microtronix公司针对nios处理器移植的μclinux开发了应用程序．其系统结构如图l所示。

1 基于sopc的嵌入式硬件平台构建
    不同于基于处理器或控制器及soc的嵌入式系统，基于sopc的嵌入式系统具有可配置的特点，不会包括任何专用外设，而是可根据需要灵活地在一片fpga中构造外设接口。
    基于sopc的嵌入式系统主要由1片核心芯片sopc和片外器件，以及一些相关的接口设备组成。本文所要实现的转换器采用altera公司的 cyclone芯片及外围电路组成，其中外围电路包括2片512 kb的sram、l片8mb的flash、uart电子转换器和1片以太网控制器lan91c111。系统电路框图如图2所示。

    sopc芯片内嵌软核处理器nios。在sopc芯片中，除了cpu外，可配片上rom、内部定时器、uart串行口、sram、flash接口等系统部件。这些部件均以可编程逻辑部件的形式实现，芯片内部部件结构图如图3所示。cpu和所有部件通过avalon总线连接在一起。

   
    sopc芯片内系统模块和avalon总线模块均由sopcbuilder工具自动生成，利用qualtus ii集成开发环境可实现芯片内的逻辑设计及其引脚定义。经编译生成后缀为.sof的硬件映像文件，通过byteblasterii线缆下载到目标板的 cyclone芯片中，或将.sof文件转换成.flash文件，下载到目标板的flash中。这样就完成了转换器的硬件设计。

2 基于μclinux的sopc应用程序开发
    应用程序的开发可在硬件平台上直接进行，但需了解所有硬件部件的细节，并编写相应的驱动子程序，其软件设计难度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操作系统的应用程序，其所有的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件进行直接控制的底层驱动程序均封装在操作系统内，通过设备驱动程序接口来完成，用户只需在高层通过操作系统所提供的系统调用进行编程。μclinux是针对控制领域的嵌入式linux操作系统，适合如nios处理器等不具备内存管理单元(mmu)的微处理器／微控制器。基于操作系统进行开发，需将操作系统加载到硬件平台中，μclinux可以以部件的形式集成到sopc系统中。[page]
2.1 加载μclinux系统的步骤
    将μclinux加载到sopc目标板上时需提供一个交叉编译环境，硬件要求具有一个串口的pc工作站、基于nios处理器的sopc目标板和 byteblastermv线缆等。软件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios开发包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios开发包所提供的cygwin安装，以及quartus ii可编程逻辑开发工具v2.2等。
2.1.1 创建和装载内核映像  
    创建和装载μclinux映像文件在linux developerbash环境下进行，首先需按下列步骤配置和构建内核。
    [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文件即为μclinux内核映像。当sopc目标板加电，片内rom中的germs监控程序运行后，在[linux developer]…μclinux／：下键入nios-runlinux.flash，即下载linux.flash文件到目标板上，完成内核映像的加载。
2.1.2创建和装载根文件系统
    除了装载内核外，还需装载根文件系统。μclinux采用romfs文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少空间。
    在主机上linux的target目录表示在μclinux下的根(root)目录。当前的脚本和工具可将target目录转换成映像文件(romdisk.flash)，按如下步骤创建：
    [linux developer]…μclinux／：make clean_target
    [linux developer]…μclinux／：make romfs
然后键入以下命令：
    [linux developer]…μclinux／：nios-run romdisk.flash
    即将romdisk.flash文件下载到目标板上，完成μclinux的根文件系统的加载。
2.1.3 加载应用程序
    用户应用程序可通过target目录加载到根文件系统中，可根据需要重建romdisk映像。应用程序在userland目录下，编译生成运行文件后拷贝到target目录树中，并根据target目录的内容创建romdisk.flash文件。新建一个应用程序，首先打开一个 linuxdeveloperbash窗，在userland目录中创建一个目录app，应用程序源文件存放在此目录中，然后在 userland／app／中建立一个makefile文件。
    makefile内容如下所示，其中appfile为应用程序名。
    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
    运行make对应用程序进行编译并修改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，进入userland子目录，运行make，即可将应用程序安装到userland／bin中，并根据 userland／．config文件中相应变量的指示将应用程序二进制拷贝到target目录中。
    最后，键入以下命令重新构建romdisk映像文件(romdisk.flash)，并下载到目标板上。

    [linux developer]…uclinux／：make clean_target

    [linux developer]…uclinux／：make romfs

    [linux developer]…uclinux／：nios-run romdisk.flash
2.1.4 运行μclinux

    完成μclinux内核及文件系统的装载后，即可运行μclinux。键入g800000(800000为启动代码地址，在sopc builder中设置)，μclinux自动完成初始化过程，用户输入登录用户名nios，密码μclinux，出现μclinux的提示符#，表示已进入μclinux运行环境。
2.2 转换器应用程序的实现
    转换器应用系统主要完成网络接口和串行接口间的数据传输，所传输的数据流如图4所示。μclinux操作系统中提供了网络驱动程序和串口驱动程序，并提供了多线程的支持。

    转换器应用系统中的串口收发数据和网络口收发数据是异步进行的，可分别作为一个任务来对待，任务间是并发的，因此可采用多线程程序设计技术来实现多任务间的并发执行，系统主程序流程图如图5所示。[page]

    在此应用系统中有4个任务，分别创建4个线程：网络接收线程、网络发送线程、串口接收线程和串口发送线程。这4个线程可并发执行．因网络速度与串口速度存在着差异，需设置相应的缓冲区来对收发数据进行缓冲。在此应用系统中设置两个环形缓冲区，如图4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收网络数据，供存储从网络口接收的数据，然后串口从此缓冲区中取出数据发送。另一缓冲区uartrv_netsd_bur用于接收串口数据，然后网络口取出此缓冲区中数据发送出去。
    线程间需实现相互通信和同步，共用缓冲区既要互斥执行又要同步执行，其操作遵循生产者和消费者模型。线程间的互斥操作采用互斥锁(mu-tex)来实现。线程间的同步通过设置两个指针来实现，一个是读指针，另一个是写指针，写指针指向队头，初
始化为0，读指针指向队尾，初始化为bufsize-1。当写数据时，比较读写指针是否相等，相同则写线程阻塞；不相等，则写入数据，然后将写指针加1。当读数据时，读指针加1，然后比较读写指针是否相等，相等则读线程阻塞；不相等，则读出数据。

    网络发送线程(流程图如图6所示)和串口接收线程(流程图如图7所示)间共用环形缓冲区uartrv_netsd_buf。串口发送线程和网络接收线程共用环形缓冲区netrv_uartsd_buf。两线程间的关系和处理类似网络发送线程和串口接收线程。

   

3 系统测试
    完成转换器的软硬件设计后，按如图8所示，连接系统进行转换器数据的传输测试。在pc机a上运行串口收发程序，而在pc机b上运行以太网收发程序，经测试后数据传输无误。