基于FPGA的嵌入式Linux软硬件设计

热度683票  浏览6044次 【共2条评论】【我要评论 时间:2011年4月15日 21:17

本设计,除了在 EDK中搭建了操作系统必须的各种模块后,还需要在ISE中编写各个时序电路程序,因此把 EDK中编写好的工程作为一个模块,加入到ISE中,然后统一编译,这样生成了我们需要的完整功能的程序。特别指出的是,PPC405数据地址采用的是大端模式,接入到ISE中时,需要把数据颠倒位置,如DATA[0:31]变为DATA[31:0],才能正常读写。

Linux操作系统的加载与烧写

加载Linux操作系统需要利用EDK软件提供的板级升级包(BSP)配置内核。BSP 包含了所选定处理器架构的属性文件以及相关硬件的驱动源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository选项下设置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 库路径,然后在软件平台设置中选择Dts模式,编译更新升级包,生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模块地址分配,中断以及驱动信息,把他加入到Linux 内核中,然后配置内核选项选择对应的处理器架构、所选硬件的驱动模块以及需要的其他内核模块,之后再对完成配置的内核进行编译,生成Linux 的内核image 文件。生成内核image 文件之后,还需要生成系统运行所需要的根文件系统。根文件系统中包含了嵌入式Linux系统的所有应用程序、库以及系统配置等相关文件。根文件系统中常用的程序和命令可利用开源软件Busybox构造。构造完成之后,在Busybox 生成的目录和文件的基础上再构造根文件系统的目录树,并添加相关设备文件和配置文件以及系统运行时需要的脚本文件, 从而形成最终的根文件系统,ramdisk.image。把他拷贝到内核中的../arch/powerpc/boot目录下,在linux2.6.x根目录下运行make zlmage. initrt,生成最终的系统文件。需要指出的是,在编译linux内核时,需要设置好交叉编译环境:首先安装ELDK编译软件,然后在编辑自己的帐户目录下的 .bashrc (例如:/home/ppc/) 中加入下面内容:

CROSS_COMPILE=ppc_4xx
$PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH

保存,然后执行$source .bashrc

把生成的zlmage.initrd 文件通过 EDK 软件下的XMD调试窗口,使用dow zlmage.initrd命令下载到DDR中,然后运行 run命令,就正常启动Linux了。

程序下载到 DDR中,掉电后,数据就丢失了,不能保存和连续使用,因此要把操作系统烧写到FLASH,上电后让它能自动运行,掉电后也不会丢失。EDK提供了专门的FLASH 烧写工具Program Flash Memory,首先要把zlmage.initrd文件转换为FLASH能识别的.SREC文件,需要在EDK Shell下运行下面命令:

$powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec

第一次烧写FLASH时需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上,让系统自动生成Bootlooder程序。操作系统烧写到Flash中后,需要FPGA在上电后自动从FLASH读取操作系统数据,然后自动运行,这几需要把刚刚生成的bootloadr_0工程中的.elf加入到.bit生成新的配置文件,使用EDK下的Updata Bitstream命令就能实现。最后把生成的.mcs文件烧写到FPGA PROM中,上电后,系统就能自动运行了。

设计结果与分析

在Linux系统正常加载后,我们设计一个程序,它通过以太网,从上位机获得数据,存入FPGA内部BlockRam中,再在ISE中编写程序,把获得的数据取出,产生频率可变的波形发生器,并回传发送的参数给上位机。

通过实验证明,在FPGA加入操作系统后,能轻松实现网络数据的收发,并通过FPGA自身的逻辑,产生我们需要的各种控制信号,做到了系统的统一调度和各个功能的并行处理,发挥了操作系统和FPGA各自的优势。但是也发现,FPGA下操作系统运行的频率不高,最多600MHz,中断响应间隔较长,大约3ms左右,系统上电启动时间较长,大约40s左右,这些都需要在今后设计中进一步完善和提升。

结语

本文介绍了基于FPGA的嵌入式Linux设计流程,从硬件设计到Linux系统加载,再到应用程序运行整个过程,从中可以看出,该设计既发挥了FPGA并行处理和多时序控制上的优势,也发挥了嵌入式Linux系统调度和可裁剪性方面的优势,还提高了这个系统的稳定行,也减少了FPGA 与外部高速总线连接的资源开销,二者的结合, 既满足了嵌入式应用按需定制、量体裁衣的需求, 又能开发出稳定而功能强大的嵌入式系统,在现在嵌入式系统开发中有很好的运用。

FPGA是通过逻辑组合电路来实现各种功能的器件。由于FPGA内部集成了大量的逻辑资源和可配置的I/O引脚,加上独特的并行处理架构,可以轻松实现同时对多个外部设备的配置和管理,以及内外各种接口数据的传输。现在开发厂商又在FPGA 内部加入了大量的DSP和Block RAM资源,非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用,因此在这些领域取得了广泛的应用。但是由于FPGA 程序编写的灵活性和功能的多样性,使得它在一个复杂工程中对各个程序的使用调度、统筹管理上有很大的局限性,这样就必须引入操作系统进行统一的管理。Linux 系统则因为其良好的可裁减、可配置等特点在嵌入式领域应用广泛。 Linux操作系统提供了许多系统级的应用,例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等,同时Linux 是一个成熟的开源操作系统,有丰富的应用资源,利用这些资源和强大的系统功能,用户可以快速地开发基于嵌入式环境复杂系统。因此,结合FPGA和Linux双方优势,可以很好地满足嵌入式系统设计需求,量体裁衣,去除冗余。本文给出了一种基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系统解决方案。

基于FPGA的嵌入式系统的硬件设计

本设计是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA,它内部集成了两个PowerPC405处理器, 4个10/100/1000M以太网MAC模块,运行频率300MHz时,具有420D-MIPS性能,能解决高速网络数据传输问题,并且能解决通过网络加载操作系统和交叉编译等问题。它内部有448个可配置I/O口,2592kb BlockRAM,能实现对各种外部设备的并行控制以及较多数据的存储与处理。加载一个操作系统,一般需要几十兆的内存空间,FPGA内部自带的RAM空间是远远不够的,本设计在板上扩展了两片MICRON公司的256Mb DDR内存,作为上电时操作系统的加载和运行空间。现在主流的嵌入式操作系统,都需要搭建交叉编译环境,把在主机上编写好的可执行文件下载到目标板上,这就需要实现网络数据的传输。由于XC4VFX40 自带了以太网MAC模块,只需要在外面添加个PHY芯片和带隔离器的RJ45接口就能实现这个功能。本设计由于对网络数据实时性要求很高,因此采用Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1111-RCJ。它能根据自身配置和主机设计,实现10/100/1000M自适应传输,并且Linux本身对这个芯片提供了驱动支持,实现无缝链接。操作系统加载到DDR 中能快速有效的运行,但是掉电就会丢失,因此必须加入FLASH芯片,把系统文件存储到外部FLASH中。加电时,FPGA把操作系统文件从FLASH读入到 DDR中运行。FPGA设计当然会扩展很多接口出来,利用自身并行处理的优势,控制很多外围设备,本设计也不例外,扩展了8个通用的GPIO,2个PS/2接口,1个USB接口,1个AC97声卡接口,1个 HotLink接口,以及4个RS422接口,同时扩展了两个CPCI接口,引出了16位数据地址线和Ethernet控制线,整个系统的硬件框图如图1所示。

在进行电路设计时,是以FPGA为核心,向外扩展各种设备,因此特别注意了FPGA各个引脚的连接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V电压,因此和DDR、PHY芯片连接引脚所在的BANK需要提供+2.5V电压参考,并且不能接以LVTTL或LVCMOS为电压参考的引脚。重要快速的时钟信号必须接到全局时钟引脚上。由于FPGA需要通过外部FLASH启动操作系统,需要并行配置,以减少加载时间,配置电路如图2所示。在DDR布线时,数据和地址线需要走等长线,数据线之间不能相差10Mil,地址线要控制在20Mil以内,时钟也需要走差分等长线,长度应大于地址线,DDR各个信号还需要47Ω的并行端接,改善信号质量。千兆 PHY 输出MDI信号也需要在顶层做差分等长,不然在进行1000M数据传输时很可能不稳定。DDR和PHY需要完整的电源回路做参考,电源层划分时也要特别注意,其他电路做常规处理就可以了。


EDK和ISE软件设计

首先需要调用Xilinx提供的 EDK软件,对各个模块加入必要的IPCORE,以便操作系统能正常调用这些器件的驱动操作他们。本设计采用的是EDK10.1.2版本,PPC方面选用ppc405内核,频率设定在300MHz,同时需要添加中断输入引脚,以便响应以太网、串口等外部中断,其他使用默认设置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模块,需要设置DDR芯片厂商、大小和数据位数等,特别指出的是,要设置独立的两条PLB总线和PPC连接,作为PPC的指令和数据总线。MAC单元需要加入XPS_LL_TEMAC模块来控制,本设计需要设置PHY 类型为GMII(千兆以太网),同时要指定物理地址和收发FIFO大小。FLASH单元需要加入xps_mch_emc模块,同时设置FLASH类型和读写时间。为了方便调试,还需要加入串口控制台模块,本设计使用的是UartLite模块,设置需要的波特率和校验类型。特别注意的是,系统还需要时钟管理模块(DCM),提供各个模块需要的不同时钟,还要设置一段FPGA内部RAM区域,放置PPC的.boot文件。外部这些模块都通过PLB总线和PPC通信,需要统一编址,一般把DDR 内存空间地址分配到0x0开始,整个系统的构建如图3所示。

本设计,除了在 EDK中搭建了操作系统必须的各种模块后,还需要在ISE中编写各个时序电路程序,因此把 EDK中编写好的工程作为一个模块,加入到ISE中,然后统一编译,这样生成了我们需要的完整功能的程序。特别指出的是,PPC405数据地址采用的是大端模式,接入到ISE中时,需要把数据颠倒位置,如DATA[0:31]变为DATA[31:0],才能正常读写。

Linux操作系统的加载与烧写

加载Linux操作系统需要利用EDK软件提供的板级升级包(BSP)配置内核。BSP 包含了所选定处理器架构的属性文件以及相关硬件的驱动源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository选项下设置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 库路径,然后在软件平台设置中选择Dts模式,编译更新升级包,生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模块地址分配,中断以及驱动信息,把他加入到Linux 内核中,然后配置内核选项选择对应的处理器架构、所选硬件的驱动模块以及需要的其他内核模块,之后再对完成配置的内核进行编译,生成Linux 的内核image 文件。生成内核image 文件之后,还需要生成系统运行所需要的根文件系统。根文件系统中包含了嵌入式Linux系统的所有应用程序、库以及系统配置等相关文件。根文件系统中常用的程序和命令可利用开源软件Busybox构造。构造完成之后,在Busybox 生成的目录和文件的基础上再构造根文件系统的目录树,并添加相关设备文件和配置文件以及系统运行时需要的脚本文件, 从而形成最终的根文件系统,ramdisk.image。把他拷贝到内核中的../arch/powerpc/boot目录下,在linux2.6.x根目录下运行make zlmage. initrt,生成最终的系统文件。需要指出的是,在编译linux内核时,需要设置好交叉编译环境:首先安装ELDK编译软件,然后在编辑自己的帐户目录下的 .bashrc (例如:/home/ppc/) 中加入下面内容:

CROSS_COMPILE=ppc_4xx
$PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH

保存,然后执行$source .bashrc

把生成的zlmage.initrd 文件通过 EDK 软件下的XMD调试窗口,使用dow zlmage.initrd命令下载到DDR中,然后运行 run命令,就正常启动Linux了。

程序下载到 DDR中,掉电后,数据就丢失了,不能保存和连续使用,因此要把操作系统烧写到FLASH,上电后让它能自动运行,掉电后也不会丢失。EDK提供了专门的FLASH 烧写工具Program Flash Memory,首先要把zlmage.initrd文件转换为FLASH能识别的.SREC文件,需要在EDK Shell下运行下面命令:

$powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec

第一次烧写FLASH时需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上,让系统自动生成Bootlooder程序。操作系统烧写到Flash中后,需要FPGA在上电后自动从FLASH读取操作系统数据,然后自动运行,这几需要把刚刚生成的bootloadr_0工程中的.elf加入到.bit生成新的配置文件,使用EDK下的Updata Bitstream命令就能实现。最后把生成的.mcs文件烧写到FPGA PROM中,上电后,系统就能自动运行了。

设计结果与分析

在Linux系统正常加载后,我们设计一个程序,它通过以太网,从上位机获得数据,存入FPGA内部BlockRam中,再在ISE中编写程序,把获得的数据取出,产生频率可变的波形发生器,并回传发送的参数给上位机。

通过实验证明,在FPGA加入操作系统后,能轻松实现网络数据的收发,并通过FPGA自身的逻辑,产生我们需要的各种控制信号,做到了系统的统一调度和各个功能的并行处理,发挥了操作系统和FPGA各自的优势。但是也发现,FPGA下操作系统运行的频率不高,最多600MHz,中断响应间隔较长,大约3ms左右,系统上电启动时间较长,大约40s左右,这些都需要在今后设计中进一步完善和提升。

结语

本文介绍了基于FPGA的嵌入式Linux设计流程,从硬件设计到Linux系统加载,再到应用程序运行整个过程,从中可以看出,该设计既发挥了FPGA并行处理和多时序控制上的优势,也发挥了嵌入式Linux系统调度和可裁剪性方面的优势,还提高了这个系统的稳定行,也减少了FPGA 与外部高速总线连接的资源开销,二者的结合, 既满足了嵌入式应用按需定制、量体裁衣的需求, 又能开发出稳定而功能强大的嵌入式系统,在现在嵌入式系统开发中有很好的运用。


TAG: 操作系统 处理器 嵌入式 软件 源文件
对本篇资讯内容的质量打分:
当前平均分:-0.38 (256次打分)
【已经有298人表态】
46票
感动
37票
路过
39票
高兴
39票
难过
27票
搞笑
35票
愤怒
42票
无聊
33票
同情
上一篇 下一篇
EETOP 赛灵思(Xilinx) 社区江苏省南通市电信网友 [yimilai] ip: 222.184.*.*
2011-04-22 17:03:08
好。。。。
EETOP 赛灵思(Xilinx) 社区上海市网通网友 [VOILACK] ip: 58.246.*.*
2013-02-08 08:39:48
不错111
查看全部回复【已有2位网友发表了看法】