基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設計

　引言

　　FPGA是通過邏輯組合電路來實現(xiàn)各種功能的器件。由于FPGA內(nèi)部集成了大量的邏輯資源和可配置的I/O引腳，加上獨特的并行處理架構，可以輕松實現(xiàn)同時對多個外部設備的配置和管理，以及內(nèi)外各種接口數(shù)據(jù)的傳輸。現(xiàn)在開發(fā)廠商又在FPGA 內(nèi)部加入了大量的DSP和Block RAM資源，非常適合圖像處理、數(shù)字信號處理等運算密集的應用，因此在這些領域取得了廣泛的應用。但是由于FPGA 程序編寫的靈活性和功能的多樣性，使得它在一個復雜工程中對各個程序的使用調度、統(tǒng)籌管理上有很大的局限性，這樣就必須引入操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一的管理。Linux 系統(tǒng)則因為其良好的可裁減、可配置等特點在嵌入式領域應用廣泛。 Linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級的應用，例如網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)、進程調度、內(nèi)存管理等，同時Linux 是一個成熟的開源操作系統(tǒng)，有豐富的應用資源，利用這些資源和強大的系統(tǒng)功能，用戶可以快速地開發(fā)基于嵌入式環(huán)境復雜系統(tǒng)。因此，結合FPGA和Linux雙方優(yōu)勢，可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)設計需求，量體裁衣，去除冗余。本文給出了一種基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系統(tǒng)解決方案。

　　基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的硬件設計

　　本設計是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA，它內(nèi)部集成了兩個PowerPC405處理器, 4個10/100/1000M以太網(wǎng)MAC模塊，運行頻率300MHz時，具有420D-MIPS性能，能解決高速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸問題，并且能解決通過網(wǎng)絡加載操作系統(tǒng)和交叉編譯等問題。它內(nèi)部有448個可配置I/O口，2592kb BlockRAM，能實現(xiàn)對各種外部設備的并行控制以及較多數(shù)據(jù)的存儲與處理。加載一個操作系統(tǒng)，一般需要幾十兆的內(nèi)存空間，F(xiàn)PGA內(nèi)部自帶的RAM空間是遠遠不夠的，本設計在板上擴展了兩片MICRON公司的256Mb DDR內(nèi)存，作為上電時操作系統(tǒng)的加載和運行空間。現(xiàn)在主流的嵌入式操作系統(tǒng)，都需要搭建交叉編譯環(huán)境，把在主機上編寫好的可執(zhí)行文件下載到目標板上，這就需要實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸。由于XC4VFX40 自帶了以太網(wǎng)MAC模塊，只需要在外面添加個PHY芯片和帶隔離器的RJ45接口就能實現(xiàn)這個功能。本設計由于對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時性要求很高，因此采用Marvell公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片88E1111-RCJ。它能根據(jù)自身配置和主機設計，實現(xiàn)10/100/1000M自適應傳輸，并且Linux本身對這個芯片提供了驅動支持，實現(xiàn)無縫鏈接。操作系統(tǒng)加載到DDR 中能快速有效的運行，但是掉電就會丟失，因此必須加入FLASH芯片，把系統(tǒng)文件存儲到外部FLASH中。加電時，F(xiàn)PGA把操作系統(tǒng)文件從FLASH讀入到 DDR中運行。FPGA設計當然會擴展很多接口出來，利用自身并行處理的優(yōu)勢，控制很多外圍設備，本設計也不例外，擴展了8個通用的GPIO，2個PS/2接口，1個USB接口，1個AC97聲卡接口，1個 HotLink接口，以及4個RS422接口，同時擴展了兩個CPCI接口，引出了16位數(shù)據(jù)地址線和Ethernet控制線，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

　在進行電路設計時，是以FPGA為核心，向外擴展各種設備，因此特別注意了FPGA各個引腳的連接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V電壓，因此和DDR、PHY芯片連接引腳所在的BANK需要提供+2.5V電壓參考，并且不能接以LVTTL或LVCMOS為電壓參考的引腳。重要快速的時鐘信號必須接到全局時鐘引腳上。由于FPGA需要通過外部FLASH啟動操作系統(tǒng)，需要并行配置，以減少加載時間，配置電路如圖2所示。在DDR布線時，數(shù)據(jù)和地址線需要走等長線，數(shù)據(jù)線之間不能相差10Mil,地址線要控制在20Mil以內(nèi)，時鐘也需要走差分等長線，長度應大于地址線，DDR各個信號還需要47Ω的并行端接，改善信號質量。千兆 PHY 輸出MDI信號也需要在頂層做差分等長，不然在進行1000M數(shù)據(jù)傳輸時很可能不穩(wěn)定。DDR和PHY需要完整的電源回路做參考，電源層劃分時也要特別注意，其他電路做常規(guī)處理就可以了。

　　EDK和ISE軟件設計

　　首先需要調用Xilinx提供的 EDK軟件，對各個模塊加入必要的IPCORE，以便操作系統(tǒng)能正常調用這些器件的驅動操作他們。本設計采用的是EDK10.1.2版本，PPC方面選用ppc405內(nèi)核，頻率設定在300MHz，同時需要添加中斷輸入引腳，以便響應以太網(wǎng)、串口等外部中斷，其他使用默認設置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模塊，需要設置DDR芯片廠商、大小和數(shù)據(jù)位數(shù)等，特別指出的是，要設置獨立的兩條PLB總線和PPC連接，作為PPC的指令和數(shù)據(jù)總線。MAC單元需要加入XPS_LL_TEMAC模塊來控制，本設計需要設置PHY 類型為GMII(千兆以太網(wǎng))，同時要指定物理地址和收發(fā)FIFO大小。FLASH單元需要加入xps_mch_emc模塊，同時設置FLASH類型和讀寫時間。為了方便調試，還需要加入串口控制臺模塊，本設計使用的是UartLite模塊，設置需要的波特率和校驗類型。特別注意的是，系統(tǒng)還需要時鐘管理模塊(DCM)，提供各個模塊需要的不同時鐘，還要設置一段FPGA內(nèi)部RAM區(qū)域，放置PPC的.boot文件。外部這些模塊都通過PLB總線和PPC通信，需要統(tǒng)一編址，一般把DDR 內(nèi)存空間地址分配到0x0開始，整個系統(tǒng)的構建如圖3所示。

　　本設計，除了在 EDK中搭建了操作系統(tǒng)必須的各種模塊后，還需要在ISE中編寫各個時序電路程序，因此把 EDK中編寫好的工程作為一個模塊，加入到ISE中，然后統(tǒng)一編譯，這樣生成了我們需要的完整功能的程序。特別指出的是，PPC405數(shù)據(jù)地址采用的是大端模式，接入到ISE中時，需要把數(shù)據(jù)顛倒位置，如DATA[0：31]變?yōu)镈ATA[31:0]，才能正常讀寫。

Linux操作系統(tǒng)的加載與燒寫

　　加載Linux操作系統(tǒng)需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內(nèi)核。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關硬件的驅動源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑，然后在軟件平臺設置中選擇Dts模式，編譯更新升級包，生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模塊地址分配，中斷以及驅動信息，把他加入到Linux 內(nèi)核中，然后配置內(nèi)核選項選擇對應的處理器架構、所選硬件的驅動模塊以及需要的其他內(nèi)核模塊，之后再對完成配置的內(nèi)核進行編譯，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)的所有應用程序、庫以及系統(tǒng)配置等相關文件。根文件系統(tǒng)中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構造。構造完成之后，在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統(tǒng)的目錄樹，并添加相關設備文件和配置文件以及系統(tǒng)運行時需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統(tǒng)，ramdisk.image。把他拷貝到內(nèi)核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt，生成最終的系統(tǒng)文件。需要指出的是，在編譯linux內(nèi)核時，需要設置好交叉編譯環(huán)境：首先安裝ELDK編譯軟件，然后在編輯自己的帳戶目錄下的 .bashrc (例如：/home/ppc/) 中加入下面內(nèi)容:

　　CROSS_COMPILE=ppc_4xx

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

　　保存，然后執(zhí)行$source .bashrc

　　把生成的zlmage.initrd 文件通過 EDK 軟件下的XMD調試窗口，使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中，然后運行 run命令，就正常啟動Linux了。

　　程序下載到 DDR中，掉電后，數(shù)據(jù)就丟失了，不能保存和連續(xù)使用，因此要把操作系統(tǒng)燒寫到FLASH，上電后讓它能自動運行，掉電后也不會丟失。EDK提供了專門的FLASH 燒寫工具Program Flash Memory，首先要把zlmage.initrd文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件，需要在EDK Shell下運行下面命令：

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

　　第一次燒寫FLASH時需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上，讓系統(tǒng)自動生成Bootlooder程序。操作系統(tǒng)燒寫到Flash中后，需要FPGA在上電后自動從FLASH讀取操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后自動運行，這幾需要把剛剛生成的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命令就能實現(xiàn)。最后把生成的.mcs文件燒寫到FPGA PROM中，上電后，系統(tǒng)就能自動運行了。

　　設計結果與分析

　　在Linux系統(tǒng)正常加載后，我們設計一個程序，它通過以太網(wǎng)，從上位機獲得數(shù)據(jù)，存入FPGA內(nèi)部BlockRam中，再在ISE中編寫程序，把獲得的數(shù)據(jù)取出，產(chǎn)生頻率可變的波形發(fā)生器，并回傳發(fā)送的參數(shù)給上位機。

　　通過實驗證明，在FPGA加入操作系統(tǒng)后，能輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過FPGA自身的邏輯，產(chǎn)生我們需要的各種控制信號，做到了系統(tǒng)的統(tǒng)一調度和各個功能的并行處理，發(fā)揮了操作系統(tǒng)和FPGA各自的優(yōu)勢。但是也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA下操作系統(tǒng)運行的頻率不高，最多600MHz，中斷響應間隔較長，大約3ms左右，系統(tǒng)上電啟動時間較長，大約40s左右，這些都需要在今后設計中進一步完善和提升。

　　結語

　　本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設計流程，從硬件設計到Linux系統(tǒng)加載，再到應用程序運行整個過程，從中可以看出，該設計既發(fā)揮了FPGA并行處理和多時序控制上的優(yōu)勢，也發(fā)揮了嵌入式Linux系統(tǒng)調度和可裁剪性方面的優(yōu)勢，還提高了這個系統(tǒng)的穩(wěn)定行，也減少了FPGA 與外部高速總線連接的資源開銷，二者的結合, 既滿足了嵌入式應用按需定制、量體裁衣的需求, 又能開發(fā)出穩(wěn)定而功能強大的嵌入式系統(tǒng)，在現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有很好的運用。