Blackfin處理器及嵌入式mClinux在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)字處理是系統(tǒng)核心內(nèi)容之一;然而隨著科技發(fā)展，越來越多的功能需求使得采集系統(tǒng)的外設(shè)也越來越復(fù)雜，外設(shè)通訊和驅(qū)動(dòng)編寫成為一項(xiàng)復(fù)雜和繁瑣的工作。以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)為此類需求提供了一個(gè)良好的解決方案，能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴(yán)格要求。 ADI公司的Blackfin系列處理器將嵌入式微控制器和DSP融為一體，取二者之長，提高了系統(tǒng)工作效能，大大降低了成本。同時(shí)，多線程的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)也可增強(qiáng)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。對(duì)開發(fā)者來說， Blackfin處理器和mClinux的結(jié)合很有吸引力。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件平臺(tái)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由2個(gè)數(shù)據(jù)采集通道、1個(gè)觸發(fā)通道、ADC轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)電路、DSP及FPGA控制部分組成，并包含有以太網(wǎng)、RS232接口、USB、TFT液晶顯示部分。系統(tǒng)硬件平臺(tái)原理框圖如圖1所示。

信號(hào)從采集通道進(jìn)入，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入ADC，被轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)即進(jìn)入FPGA、DSP進(jìn)行數(shù)字控制處理。經(jīng)過DSP處理過的信號(hào)，可送至其它外設(shè)以顯示、存儲(chǔ)，或通訊。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

BF531為系統(tǒng)的核心部分之一，供電電壓3.3V，內(nèi)核電壓1.2V，為了使系統(tǒng)能夠開機(jī)自動(dòng)從FLASH中啟動(dòng)，設(shè)置BMODE為00，即從外部存儲(chǔ)器啟動(dòng)。FPGA、片外SDRAM、FLASH，以及USB和液晶直接和BF531通過地址線、數(shù)據(jù)線相連。

系統(tǒng)中應(yīng)用了TFT LCD液晶顯示模塊FG050605DNC，該LCD控制簡單，只有RGB每色5個(gè)共15個(gè)信號(hào)，以及數(shù)據(jù)使能、數(shù)據(jù)時(shí)鐘和行頻、場頻控制信號(hào)。LCD晶直接由DSP控制，DSP的Timer1、Timer2提供行、場頻信號(hào)，PPI口傳輸數(shù)據(jù)，由FPGA提供時(shí)鐘，配置mClinux開辟一塊 framebuffer作為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，配合Linux下的液晶驅(qū)動(dòng)，即可工作。

軟件設(shè)計(jì)

由于DSP中運(yùn)行的是基本上已經(jīng)成熟的算法和控制流程，所以軟件設(shè)計(jì)的主要工作為在DSP中嵌入操作系統(tǒng)。

U-Boot的移植

U-Boot的移植主要分為兩個(gè)層面，一個(gè)是對(duì)CPU的移植，一個(gè)是針對(duì)Board的移植。U-Boot中已經(jīng)有大量可直接下載到某些開發(fā)板上的程序，為了減小工作量，可選一個(gè)最接近自己設(shè)計(jì)的開發(fā)板來進(jìn)行修改。本設(shè)計(jì)中采用了stamp目標(biāo)板。

具體如下：

(1) 拷貝board下面的文件夾stamp，重命名為mybf531，作為即將要修改配置的目標(biāo)板?？截恈pu下面的文件夾bf533，重命名為bf531，作為將要修改的cpu bf531。再將board和bf531文件夾中所有關(guān)于stamp板的文件名及包含頭文件等改為mybf531;將所有關(guān)于bf533的文件名及包含頭文件等改為bf531。注意文件間的依賴關(guān)系，確定是該添加文件還是修改文件，并記錄文件改動(dòng)。

(2)Makefile文件

在u-boot根目錄下的makefile文件中添加bf531和mybf531的編譯規(guī)則，如下：

ifeq ($(CPU),bf531)

OBJS += cpu/$(CPU)/start1.o

OBJS += cpu/$(CPU)/interrupt.o

OBJS += cpu/$(CPU)/cache.o

OBJS += cpu/$(CPU)/cplbhdlr.o

OBJS += cpu/$(CPU)/cplbmgr.o

OBJS += cpu/$(CPU)/flush.o

OBJS += cpu/$(CPU)/init_sdram.o

endif

mybf531_config : unconfig

@./mkconfig $(@:_config=) blackfin bf531 mybf531

(3)include/configs/mybf531.h

板子的功能配置信息大都在include/configs/mybf531.h中，故拷貝stamp.h并修改其中的啟動(dòng)信息和配置信息。重點(diǎn)修改部分如下：

時(shí)鐘信息：

#define CONFIG_CLKIN_HZ

11059200

#define CONFIG_VCO_MULT

36

#define CONFIG_SCLK_DIV

5

FLASH信息：

#define CFG_MAX

FLASH_SECT 67

#define CFG_ENV_ADDR

0x20004000

#define CFG_ENV_SIZE

0x2000

#define CFG_ENV_SECT_SIZE

0x2000

#define CFG_FLASH_ERASE_

TOUT 30000

#define CFG_FLASH_ERASE_

TOUT 30000

SDRAM信息：

#define CONFIG_MEM_SIZE

128

#define CONFIG_MEM_ADD_

WDTH 11

#define CONFIG_MEM_

MT48LC64M4A2FB_7E 1

其它配置信息

#define AMBCTL0VAL

0xBBC3BBC3

#define AMBCTL1VAL

0x99B39983

#define VDSP_ENTRY_ADDR

0xFFA00000

并將板子上不需要的功能的宏定義作相應(yīng)設(shè)置。

(4)Board的移植

檢查board/mybf531/ 中所有文件，首先將board和cpu的相關(guān)stamp.h、stamp.c改為bf531.h和mybf531.c，并檢查其文件的設(shè)置、包含的頭文件和宏定義是否正確。在board/mybf531/config.mk中，找到

TEXT_BASE = 0x03FC0000

PLATFORM_CPPFLAGS += -I$(TOPDIR)

修改其中的TEXT_BASE值為SDRAM的最大地址與CFG_MONITOR_LEN之差。

(5)CPU的移植

檢查cpu/bf531/ 中所有文件，首先將board和cpu的相關(guān)stamp.h、stamp.c改為bf531.h和mybf531.c，并檢查其文件的設(shè)置、包含的頭文件和宏定義是否正確。

cpu/bf531/cpu.c文件的修改主要在于配置SDRAM頁的大小屬性，設(shè)置ICPLB、DCPLB、cache的狀態(tài)設(shè)置， icplb_table和dcplb_table和其相應(yīng)屬性的修改。

(6)其它

在以下文件夾中找到下面函數(shù)，檢查并根據(jù)具體要求修改

init_IRQ() cpu/bf531/ints.c

flash_init() drivers/cfi_flash.c

env_init() common/env_flash.c

init_baudrate() lib_blackfin/board.c

serial_init() cpu/bf531/serial.c

console_init_f(); common/console.c

display_banner(); lib_blackfin/board.c

checkboard(); board/stamp/stamp.c

timer_init(); cpu/bf531/interrupts.c

至此，U-Boot的修改配置基本完成，重新編譯U-Boot代碼，將得到的u-boot.bin通過JTAG口下載到目標(biāo)板，如果能夠通過串口輸出啟動(dòng)信息，表明移植基本成功。其間仍需多次修改。移植成功后可相應(yīng)對(duì)功能進(jìn)行增刪。[!--empirenews.page--]

mClinux的移植下載

本文選擇了http://blackfin.uclinux.org 中提供的mClinux-dist-R06R2-RC2.tar.bz2作為系統(tǒng)使用mClinux的源代碼。解壓縮之后就可以進(jìn)行內(nèi)核配置和內(nèi)核編譯了，內(nèi)核配置即為內(nèi)核制定適當(dāng)?shù)墓δ?。在解壓縮之后的源碼根目錄下，執(zhí)行 make menuconfig 或 make xconfig 進(jìn)行配置。

其中重要的部分如下：

(1)系統(tǒng)cpu的選擇、系統(tǒng)板卡的選擇及設(shè)置

Kernel executes from RAM

Cyrstal Frequency 1000Hz

SDRAM Memory Size in Mbytes

32 SDRAM Memory

Address Width 9

Baud Rate 57600

Enable DMA Support

(BFIN_DMA_5XX)

EBIU_AMBCTL Global Control

EBIU_AMBCTL Control

(2)系統(tǒng)外設(shè)選擇及驅(qū)動(dòng)設(shè)置

本系統(tǒng)外掛以太網(wǎng)、USB、LCD及SPI FALSH，使用RS232、PPI接口等，mClinux內(nèi)核源文件已經(jīng)包含支持Blackfin系列處理器的驅(qū)動(dòng)，故只需對(duì)各接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)選擇，對(duì)部分外設(shè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)編寫即可。主要的設(shè)置如下：

Networking support (NET)

Device Drivers

Detect non-CFI AMD/JEDEC-compatible flash chips (MTD_JEDECPROBE)

ST MW320D compatible flash chip support (MTD_MW320D)

Support for RAM chips in bus mapping (MTD_RAM)

Parallel port support (PARPORT)

SCSI device support

Network device support (NETDEVICES)

Blackfin BF53x Programmable Flags Driver (BF533_PFLAGS)

Blackfin BF5xx PPI Driver (BF5xx_PPI)

Support for frame buffer devices (FB)

FG0506 TFT LCD on uClinux (MYBF531 STAMP) (FB_BF531_FG0506)

Support for Host-side USB (USB)

其中FG0506 TFT LCD on mClinux (MYBF531 STAMP) (FB_BF531_FG0506)為在/uClinux-dist/linux2.6.x/driver/video/下編寫 bf531_fg0506.c的液晶顯示驅(qū)動(dòng)，并改寫該文件夾下的Makefile和Kconfig文件，將該選項(xiàng)編入?Clinux源程序的配置選項(xiàng)中。

(3)操作系統(tǒng)內(nèi)核的剪裁

Analog Devices Blackfin Embedded Linux Application Configuration菜單下為關(guān)于Linux系統(tǒng)應(yīng)用程序的配置信息，可以添加或刪除適合本系統(tǒng)的軟件設(shè)置，應(yīng)用程序等。例如，如果要在系統(tǒng)上使用圖形界面，就需要在此部分中選擇Microwindows下的microwin和nano-X的相應(yīng)選項(xiàng)，或是將Qt/Embedded編入 mClinux源文件，再編入系統(tǒng)內(nèi)核中。除了適合系統(tǒng)的特殊需要，一般此項(xiàng)中的內(nèi)容不需修改。

全部選擇完成之后，使用make進(jìn)行內(nèi)核編譯，在images文件夾下會(huì)生成內(nèi)核文件：linux.ext2、uImage.ext2、vmlinux、rootfs.ext2、rootfs.jffs2等，分別對(duì)應(yīng)不同的文件系統(tǒng)、不同功能大小的系統(tǒng)。

使用串口或以太網(wǎng)將內(nèi)核下載到板子上，啟動(dòng)?Clinux看到歡迎界面和root:/>后，嵌入式操作系統(tǒng)即移植成功。

結(jié)語

經(jīng)調(diào)試、修改，最終生成的內(nèi)核已可以運(yùn)行，并對(duì)USB、以太網(wǎng)、LCD有良好的支持，節(jié)約了大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)及通訊協(xié)議的編寫，給多外設(shè)的采集系統(tǒng)提供了良好的驅(qū)動(dòng)解決方案，節(jié)約了開發(fā)周期和難度。

參考文獻(xiàn)

1趙炯編著.Linux內(nèi)核完全注釋. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.9

2 http://blackfin.uclinux.org

3楊文志.深入linux建構(gòu)與管理.北京，人民郵電出版社，2000.12