基于NIOS II和μclinux的工業(yè)CT高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

摘 要: 介紹了基于NIOS II和μclinux應(yīng)用于工業(yè)CT的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。將FPGA的嵌入式軟核作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心處理器，μclinux操作系統(tǒng)移植到嵌入式系統(tǒng)中，并加入并行處理模塊，使得系統(tǒng)不但發(fā)揮了FPGA的并行處理的能力和強(qiáng)可配置性，也利用了μclinux系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。

關(guān)鍵詞： NIOS II； μclinux； FPGA； 高速數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸方面,網(wǎng)絡(luò)傳輸TCP/IP協(xié)議具有通用性和安全性上的優(yōu)勢(shì)，而在數(shù)據(jù)處理方面，特別是高速數(shù)據(jù)的處理，F(xiàn)PGA一直是首選方案。通過(guò)硬件并行處理的速度在軟件看來(lái)是難以超越的。用FPGA作前級(jí)處理，而后通過(guò)DSP數(shù)字處理是國(guó)際上常用的做法。所以應(yīng)用FPGA＋MCU（或DSP）的做法很普遍，效果也很好。

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，NIOS Ⅱ嵌入式處理器軟核能最大處理200DMIP，與ARM9相當(dāng)。它最大的特點(diǎn)是可配置性高，可以在里面嵌入DSP硬件、各種存儲(chǔ)設(shè)備、I/O口以及可以定制用戶指令等。通過(guò)NIOS Ⅱ可以將FPGA＋MCU＋DSP系統(tǒng)有機(jī)地綜合起來(lái)，發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，用一片F(xiàn)PGA完成系統(tǒng)的構(gòu)建。從軟件上看，μclinux操作系統(tǒng)以高效、簡(jiǎn)潔著稱，而在性能上又繼承了linux的高效、開(kāi)放、實(shí)時(shí)性好、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)正是基于NIOS Ⅱ和μclinux設(shè)計(jì)的，應(yīng)用于工業(yè)CT機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)功能

如圖1所示，本系統(tǒng)的主要功能是將工業(yè)CT系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊得到的數(shù)字信號(hào)高速可靠地傳輸?shù)綀D像處理計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是將X（或γ）射線轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后變?yōu)橛?jì)算機(jī)可接收的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)要完成的工作就是高效可靠地接收工業(yè)CT需要的數(shù)百甚至上千通道的數(shù)字信號(hào)，并將這些信號(hào)有序準(zhǔn)確地傳輸?shù)綀D像處理計(jì)算機(jī)。同時(shí)要求系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)有一定深度的緩沖，即本系統(tǒng)同時(shí)能存儲(chǔ)8次以上的工業(yè)CT系統(tǒng)采樣值。傳輸?shù)姆绞讲捎没赥CP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸。工業(yè)CT數(shù)據(jù)傳輸間隔時(shí)間最短約為3ms。

2 方案簡(jiǎn)介

如圖2所示，系統(tǒng)主要是由片上系統(tǒng)和片外設(shè)備構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。而片上系統(tǒng)主要是由NIOS Ⅱ系統(tǒng)^[1]和FPGA上的前級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。

NIOS Ⅱ系統(tǒng)使用了用戶自定義指令和DMA加速模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)核心硬件的加速。用戶自定義指令是硬件化了的邏輯模塊，它嵌入到CPU中，形成了用戶的專用CPU。其作用是實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）。將一個(gè)64K字的緩沖區(qū)中實(shí)現(xiàn)CRC的邏輯塊作為一個(gè)定制的指令，這要比軟件快27倍^[2]。DMA加速模塊的作用是將片上交換緩存（On-Chip RAM）的數(shù)據(jù)加載到SDRAM中去，這樣比使用CPU的指令傳輸要快得多。

FPGA前級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的前級(jí)數(shù)據(jù)處理：它將CT機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡上的高速數(shù)據(jù)流并行接收到片上交換緩存中。在交換緩存中開(kāi)辟兩片緩沖區(qū)，使用乒乓模式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放。片外設(shè)備包括SDRAM、Flash和Ethernet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。SDRAM用于運(yùn)行程序和存放待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。Flash用于存放系統(tǒng)kernal和filesystem。Ethernet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為smsc91c111，它是100M網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，用于數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主要采用μclinux操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，μclinux在嵌入式系統(tǒng)中非常穩(wěn)定，并且有NIOS II專用kernal，這樣給系統(tǒng)的移植和驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)帶來(lái)了方便。在8MB的系統(tǒng)中，使用2MB裝載內(nèi)核，6MB裝載文件系統(tǒng)。

引導(dǎo)程序U-boot的移植:

Bootloader的設(shè)計(jì)除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU^[3]構(gòu)建的，在移植操作系統(tǒng)時(shí)，這部分代碼也需要修改。

Bootloader引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后的第一段程序，系統(tǒng)通過(guò)它初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射，為調(diào)用內(nèi)核做準(zhǔn)備。U-boot是由早期的ppcboot發(fā)展而來(lái)，它的特點(diǎn)是開(kāi)源、功能強(qiáng)大，下面作一簡(jiǎn)要介紹。

首先通過(guò)NIOS-elf-tools建立交叉編譯環(huán)境，選擇U-boot-1.0.0.tar版的U-boot。本系統(tǒng)選擇μclinux-2.4.17-ucl.tgz版的μclinux版本。而后使用configure命令檢查宿主機(jī)上U-boot交叉編譯環(huán)境是否正確，并且通過(guò)configure文件的內(nèi)容對(duì)U-boot各子目錄的makefile進(jìn)行修改。這一步只要保證./configure通過(guò)就可以了。接下來(lái)通過(guò)交叉編譯環(huán)境對(duì)U-boot-1.0.0編譯。有了編譯環(huán)境后，就可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備配置對(duì)U-boot源代碼進(jìn)行移植。修改后，參考README中的內(nèi)容重新把U-boot 建立起來(lái)，這是最終需要的可以在Flash中運(yùn)行的代碼。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 FPGA程序

如圖3所示，F(xiàn)PGA中的前級(jí)數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)串轉(zhuǎn)并，并使用乒乓模式緩存。在CT機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊中每秒鐘產(chǎn)生250次采集每次1 024路、每路20位、再加上各種表頭等，這樣每秒的數(shù)據(jù)量大約為5.2Mbit。模塊通過(guò)SOPC中的接口元件與NIOS Ⅱ處理器相連。

串轉(zhuǎn)并模塊的輸入為SDA和SCL的I²C標(biāo)準(zhǔn)總線。而后作為乒乓模式的兩個(gè)緩存將FIFO模塊的數(shù)據(jù)緩存到模塊中，每個(gè)模塊的大小為16KB。FIFO模塊將高速I2C的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，并存入其中一個(gè)緩存。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿后產(chǎn)生中斷，CPU響應(yīng)中斷后通過(guò)DMA方式將數(shù)據(jù)取走，并存入SDRAM中。在DMA傳輸過(guò)程中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則存放到另一塊緩沖區(qū)中。而后交替運(yùn)行，提高DMA的使用效率。

4.2 下位機(jī)應(yīng)用程序

下位機(jī)程序流程示意圖如圖4所示，在μclinux操作系統(tǒng)中，下位機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)主要部分組成：循環(huán)傳輸部分和中斷部分。當(dāng)FPGA中的前級(jí)數(shù)據(jù)采集模塊緩存完畢后，模塊將向ARM發(fā)送中斷信號(hào)，這時(shí)系統(tǒng)將進(jìn)入中斷部分程序。中斷程序?qū)PGA中緩存的數(shù)據(jù)讀到ARM中并以文件的形式保存到SDRAM中，然后返回主程序循環(huán)傳輸。循環(huán)傳輸?shù)淖饔檬菍⑽募?shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，循環(huán)讀取中斷保存的文件，判斷文件的格式、順序等有沒(méi)有錯(cuò)誤，如果有就提示出錯(cuò)；如果文件沒(méi)有錯(cuò)誤并且文件數(shù)量滿足傳輸條件，則由循環(huán)傳輸程序?qū)⑿枰獋鬏數(shù)奈募虬鬏數(shù)缴衔粰C(jī)。使用這種機(jī)制可以很好地響應(yīng)中斷，并即時(shí)將SDRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

4.3 下位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

下位機(jī)μclinux中的嵌入式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的目的：一是初始化I/O口，完成讀取FPGA 中乒乓緩存中的數(shù)據(jù)，二是完成緩存數(shù)據(jù)模塊發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)。其中最重要的是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)用戶接口電路與91c111 連接, 采用Verilog HDL 編寫(xiě)91c111和NIOS II^[4]系統(tǒng)連接邏輯電路,實(shí)現(xiàn)高速以太網(wǎng)通訊。運(yùn)行SOPC Builder 生成系統(tǒng)文件,創(chuàng)建在NIOS II 硬件系統(tǒng)上運(yùn)行軟件系統(tǒng)所需的支撐文件,提供給軟件開(kāi)發(fā)程序NIOS II 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,同時(shí)生成硬件描述語(yǔ)言文件,描述系統(tǒng)的硬件信息。Quartus Ⅱ軟件使用這些文件來(lái)編譯整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

使用SOPC Builder中的組件編輯器可以把用戶外設(shè)和系統(tǒng)連接起來(lái)。外設(shè)既可以放在NIOS Ⅱ系統(tǒng)中,也可以放在NIOS Ⅱ系統(tǒng)外部,這里采用91c111以太網(wǎng)控制器,使用片外方式。根據(jù)91c111各個(gè)引腳不同的功能和類型, 把91c111各個(gè)引腳和FPGA 的引腳連接；設(shè)定91c111為AVALON總線的從器件,通過(guò)AVALON總線與NIOS Ⅱ系統(tǒng)相連，而且用到了AVALON總線模塊的16位輸入輸出數(shù)據(jù)信號(hào)線、1位地址線、低電平有效的讀寫(xiě)信號(hào)線、片選和復(fù)位信號(hào)線,以及中斷請(qǐng)求信號(hào)線。通過(guò)編寫(xiě)Verilog HDL 程序,把這些信號(hào)線和91c111對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線、命令信號(hào)線、讀寫(xiě)信號(hào)線等連接起來(lái)。

4.4 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序采用VC編寫(xiě)，它為下一步數(shù)據(jù)處理做測(cè)試并提供一些API^[5]接口，便于后續(xù)程序的調(diào)用。在ICT系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過(guò)本系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)作三維圖像重建。而這里的上位機(jī)程序的作用只是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的測(cè)試。上位機(jī)軟件采用基于TCP/IP^[6]的socket編程，由于TCP/IP本身具有很好的安全機(jī)制，所以傳輸?shù)臏?zhǔn)確性是可以保證的。而且TCP/IP的通用性好，便于移植。

上位機(jī)通過(guò)TCP/IP建立TCP server并監(jiān)聽(tīng)相應(yīng)的端口，等待下位機(jī)傳輸請(qǐng)求。而后連接請(qǐng)求并實(shí)現(xiàn)接收和保存功能，為圖像的重建作準(zhǔn)備。

通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的5.2MB/s帶寬要求，并在傳輸帶寬上有很大的提升空間，可以達(dá)到6.8MB/s的帶寬。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于重慶大學(xué)ICT中心研制的CD-900型工業(yè)CT中。基于μclinux的下位機(jī)系統(tǒng)的移植性強(qiáng)，可以很方便地移植到其他平臺(tái)上，并作相應(yīng)的性能提升。

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