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引言 隨著大規模集成電路技術的進步和制造工藝水平的提高，嵌入式系統的開發變得日益復雜。傳統的嵌入式系統設計方法已經不能適應當前嵌入式系統設計的需要。單個芯片容量的增大、功能的增加、體積的減小使得設計變得更加便利，同時也為嵌入式系統設計開發開辟了新的天地，即出現了可編程片上系統(System On Programmable Chip，SOPC)技術。SOPC技術大大促進了軟硬件協同設計及計算機系統設計自動化的發展，并具有可裁剪、可擴充、可升級的靈活設計方式及在系統可編程功能。 通常，嵌入式系統的軟件部分主要基于實時操作系統(簡稱RTOS)，在特定的RTOS 之上開發應用軟件。通過屏蔽掉許多底層硬件細節的方法，可以使得程序開發人員改進軟件功能、提高設計效率、降低開發難度，同時使得程序調試方便、移植簡單、容易維護，大大縮短了開發周期。uClinux 是一種廣泛應用于嵌入式設備中的實時操作系統，針對微控制器領域而設計。它的特點是較好的穩定性、出色的網絡功能和高效的文件系統支持等。最大特征就是不使用內存管理單元模塊（MMU：Memory Management Unit），很適合那些沒有MMU 的處理器。如把uClinux 操作系統移植于SOPC 系統，便可以使得此類系統大大縮短軟硬件開發的時間，并可進一步增強整體功能。 1 SOPC 硬件系統的建立 1.1 硬件系統架構 不同于許多基于微處理器的嵌入式系統，基于SOPC 的嵌入式系統具有可配置的特點，可根據需要靈活地在一片FPGA 中構造外設接口。本文構建的最小系統可運行uClinux，采用Altera 公司的Cyclone Ⅱ芯片EP2C35 及相關外圍電路組成。其中，外圍電路包括1 片16MB 的DDR SDRAM、l 片16MB 的Flash、RS232、串行配置芯片EPCS64 以及供電系統。系統體系架構如圖1 所示。 
1.2 SOPC 硬件開發 Nios Ⅱ系列嵌入式處理器是一款采用流水線技術、單指令流的RISC CPU，廣泛應用于嵌入式系統。Nios Ⅱ包括3 種內核：快速的F(最高性能的優化)內核、經濟的E(最小邏輯占用的優化)內核以及標準的S(平衡于性能和尺寸)內核，每種內核根據不同的性能而優化。Nios Ⅱ嵌入式CPU 支持32 位指令集、32 位數據線寬度、32 個通用寄存器、32 個外部中斷源、2 GB 尋址空間，包含高達256 個用戶自定義的CPU 定制指令。NI0S Ⅱ CPU 的所有數據、程序都是通過Avalon 總線傳輸的，通過使用Altera 的Quartus Ⅱ軟件以及SOPCBuilder 工具可以輕松地將Nios Ⅱ內核嵌入到系統里。 SOPC 硬件開發主要使用Quartus Ⅱ和SOPC Builder。由于本系統中使用到DDR SDRAM，所以在系統開發前必須安裝與Quartus Ⅱ版本相兼容的Megacore 程序以提供DDR SDRAM IP核。硬件設計主要工作有以下兩步： （1）定制Nios Ⅱ處理器軟核。用SOPC Builder 軟件從Nios Ⅱ處理器內核和Nios Ⅱ開發套件提供的外設列表中選取合適的CPU、存儲器以及各外圍器件（如片內存儲器、PIO、定時器、UART、片外存儲器接口等），并定制和配置它們的功能、分配外設地址及中斷號、設定復位地址、最后生成系統。用戶也可以添加用戶自身定制指令邏輯到Nios Ⅱ內核以加速CPU 性能，或添加用戶外設以減輕CPU 的任務。定制好的Nios Ⅱ處理器軟核如圖2 所示。
（2）建立完善頂層模塊。使用SOPC Builder 生成Nios Ⅱ系統后，將其集成到整個Quartus Ⅱ工程中。根據需要在工程中加入Nios Ⅱ系統以外的邏輯，用戶也可以集成自身定制的硬件模塊到SOPC 設計之中，或集成從Altera 或第3 方IP 供應商得到的其它現成的知識產權設計模塊。頂層模塊主要包括DDR SDRAM 模塊、FLASH 模塊、UART 模塊以及PIO模塊。 2 裁剪和移植uClinux 操作系統 本系統使用的是Microtronix 公司負責維護和發行的Nios Ⅱ uClinux 版本。該版本uClinux 是2.6.11 的內核，目前在Nios Ⅱ上運行最為穩定。在Nios Ⅱ上實現uClinux 操作系統環境主要包括兩個部分，一是針對Nios Ⅱ處理器移植的uClinux 內核，二是建立一個包含基本系統工具和應用程序的根文件系統。 2.1 建立uClinux 內核 該項工作主要需在Nios II IDE 環境中利用Microtronix Nios Ⅱ包構建Linux KernelProject，并根據用戶硬件系統在SOPC Builder System 欄中選擇目標硬件。在Memory Device欄中選擇uClinux 內核上傳的位置（FLASH）以及內核運行的位置（SDRAM），完成生成內核的配置。回到Nios II IDE 主窗口界面后，在Project Navigator 窗口中可以看到uClinux_kernel 工程已經建立好。此時在uClinux_kernel 上點擊右鍵選擇ConfigureKernel，進入uClinux 內核配置界面，并根據硬件系統進行uClinux 內核配置。需配置的主要選項及相關描述如下： （1）Processer type and feature--->Platform. 項選擇Altera Cyclone DevelopmentBoard Support； （2）Device Drivers--->ATA/ATAPI/MFM/RLL support 選項關掉，我們所建立的NiosII 系統沒有外部IDE 接口外設； （3）Device Drivers--->Character devices--->Nios PIO buttons support 選項關掉，因為系統中沒有buttons PIO，若選擇則會編譯出錯； （4）Device Drivers->Character devices--->Serial drivers--->Altera JTAG UARTsupport 選項選中，為控制臺選擇JTAG 下載方式； （5） Device Drivers->Character devices--->Serial drivers--->Nios serialsupport 選項選中，通過RS232 串口與系統進行通信交流； （6）其余配置不需要改變。 配置完成后予以保存并回到Nios II IDE 主窗口界面。在Project Navigator 窗口中右鍵點擊uClinux_kernel 選擇Build Project 編譯內核。編譯完成后，在ProjectNavigator 窗口中展開uClinux_kernel 工程。可以看到，在uClinux_kernel 的目錄中，已經生成了vmlinux.bin 文件。在該文件上點擊右鍵選擇Upload 即可啟動燒寫程序，將生成的內核二進制文件vmlinux.bin 寫入Flash 芯片中。 2.2 建立uClinux 文件系統 uClinux 文件系統的建立與uClinux 內核的建立方法類似，也是在Nios II IDE 環境中利用Microtronix Nios Ⅱ程序包構建Linux Filesystem Project。在SOPC Builder System欄中選擇目標硬件（與建立uClinux_kernel 工程時選擇的硬件系統相同），在Memory Device欄中確定uClinux 文件系統上傳的位置（FLASH）。在文件系統基本工具和應用程序選擇窗口中，根據硬件系統情況以及應用方向選擇在文件系統中要生成的基本工具和應用程序。用戶也可以點擊右邊的Install Minimal 按鈕，只選擇必須的工具和應用程序。這種情況下生成的基本文件系統僅為872K，很適合資源緊湊的開發平臺。 為了精簡系統，選擇Install Minimal，點擊Finish 完成基本文件系統的配置。回到Nios II IDE 的主窗口界面，編譯工程。編譯完成之后，在uClinux_fs 工程的目錄列表中可以看到romfs.bin 文件已經生成。與處理內核文件相同，再將romfs.bin 文件寫入Flash中。至此，uClinux 的內核和文件系統都已經存在于目標硬件系統（開發板）中的Flash 芯片上了。Nios II 處理器復位之后就能從Flash 中引導啟動，進入uClinux 操作系統。 2.3 運行并登陸uClinux 操作系統 進入Quartus 的編程窗口，將編譯生成的.sof 文件下載到硬件系統（開發板）上。通過超級終端或DNW 程序可以看到，uClinux 的啟動信息已經從DNW 窗口輸出，并等待與用戶通信。輸入ls 命令可以看到配置uClinux_fs 時所選擇的基本工具和應用程序。至此，已經成功定制并登陸到uClinux 系統中。DNW 軟件輸出的uClinux 系統啟動信息如圖3 所示。
3 建立并執行用戶應用程序 3.1 建立用戶應用程序 利用Microtronix Nios Ⅱ完成uClinux 應用程序工程的創建后，在Project Navigator窗口中可以看到一個空的工程。可新建.c 文件及makefile 文件向工程中添加用戶程序代碼，也可導入已建立好的.c 文件及makefile 文件。這里選用較為通用的新建方法為例進行介紹。 首先在工程中建立.c 文件，輸入程序代碼： #include main() { printf("My first Nios2 uClinux Program !\n"); } 當建立makefile 文件、輸入對應的編譯、控制信息代碼并編譯完成后，即可在工程中看到所生成的Nios II Linux 可執行文件.exe 文件。 3.2 下載并運行用戶應用程序 有多種方法將Nios II uClinux 可執行文件.exe 文件傳輸到uClinux 系統中并運行，一般首選ftp 和NFS 方法。鑒于本例沒有包含網絡系統，所以選用修改文件系統內容的方法完成下載和運行任務。 先將編譯好的.exe 文件拷貝到uClinux_fs 工程的target\bin 目錄下（可以根據自己的習慣選擇其它），重新編譯uClinux_fs 工程。完成后將編譯新生成的romfs.bin 文件寫入Flash 芯片中，啟動登陸uClinux 操作系統，進入/bin 目錄。可以看到，拷貝到文件系統中的.exe 程序已經出現在/bin 目錄中。執行后則在DNW 窗口得到程序執行的結果，例如打印輸出：My first Nios2 uClinux Program ！其效果示于圖4。
4 結束語 嵌入式系統設計是一門綜合性很強的學科，其相關研究內容和技術具有高度融合的特點。基于新穎、高效、業已成熟的基本器件及開發環境，SOPC 使得測量和控制領域中直接面向應用的研究更加現實、可行。依托于“強電磁場環境模擬與防護技術”國防科技重點實驗室，本文構建了一個SOPC 系統，定制了Nios II 處理器軟核，進而完成了uClinux 操作系統的剪裁與移植和應用程序的基本開發、調試工作，并投入到了后續實驗之中。此外，這種方式不僅有助于大大縮短嵌入式系統的軟硬件開發時間，又為一般實驗條件下的相關控制系統提供了可行的設計思路和實現方法，并可望具有一定的學術價值和廣闊的應用領域。 本文創新點：構建了可移植uClinux 的最小SOPC 系統，并成功完成了uClinux 的移植工作， 縮短了SOPC 系統的開發周期、拓展了uClinux 的應用領域。 作者：巨政權 來源：《微計算機信息》2009年第4-2期 |
