智能命令行設(shè)計及其在SOPC系統(tǒng)中的應(yīng)用

命令行是計算機系統(tǒng)中最重要的組件之一。它可以幫助開發(fā)人員更方便的控制系統(tǒng)。在調(diào)試過程中，可以讓開發(fā)人員隨時變更測試方法。

FPGA的成本越來越低，F(xiàn)PGA上的嵌入式系統(tǒng)（SOPC）也應(yīng)用得越來越廣泛。但是相對其他成熟的計算機體系，SOPC系統(tǒng)現(xiàn)在還沒有命令行。為了更好的推廣SOPC應(yīng)用，筆者開發(fā)了一個智能的命令行模塊，可以調(diào)用系統(tǒng)中的任意函數(shù)，降低了開發(fā)人員的使用難度。在最小配置時，它只有大約1000行代碼，占用14KB存儲容量，可以放在完全由FPGA片內(nèi)資源構(gòu)成的計算機系統(tǒng)中。它的結(jié)構(gòu)也具有很好的擴展性，開發(fā)人員可以結(jié)合自己的需求，輕松添加命令，豐富它的特性。

命令行框架設(shè)計
1 總體設(shè)計
好的命令行要具有擴展性，開發(fā)人員能輕松添加自己的命令；也要傻瓜化，簡單易于使用。

為了達到這兩個目的，可采用編譯器創(chuàng)建的數(shù)組作為命令的總索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為每條命令創(chuàng)建一個變量，指定它放在一個命令行專用的段中；其中用段“shell_cmd_tab”存放用戶主動創(chuàng)建的命令；用段“shell_cmd_tab_auto”存放系統(tǒng)中所有全局函數(shù)。創(chuàng)建變量只需調(diào)用宏SHELL_CMD_DECL，提供命令名、命令說明和函數(shù)名即可。這樣就可以實現(xiàn)C語言函數(shù)、變量、段、內(nèi)存區(qū)域的自動映射過程。

命令的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。

typedef struct _ncommand_t {
const char *name;
const char *descr;
shell_st_call  cfunc;
} ncommand_t;

為了簡化命令的創(chuàng)建，定義下面這個宏來創(chuàng)建命令。
#define SHELL_CMD_DECL(name, usage, func) ncommand_t _shell_cmd_tab_##func _attribute_ ( (section( “.shell_cmd_tab”) ) )={ name, usage, func }; // small memory version
創(chuàng)建命令的實例如下：SHELL_CMD_DECL(“dump”, “Shows a memory dump”, hexdump);

2 連接腳本
在連接腳本里指定段的位置是簡化命令行使用流程的關(guān)鍵。GCC使用PROVIDE定義變量。筆者使用PROVIDE定義了各個段的起始地址和結(jié)束地址，從而可以在代碼中使用段地址查詢到所有命令。在編譯器使用的連接腳本中添加如下行定義函數(shù)表。

.shell :
{
PROVIDE (__ram_shell_start = ABSOLUTE(.));
. = ALIGN(32 / 8);
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_begin = ABSOLUTE(.));
*(.shell_cmd_tab .shell_cmd_tab.*)
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_end = ABSOLUTE(.));
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_begin = ABSOLUTE(.));
*(.shell_cmd_tab_auto .shell_cmd_tab_auto.*)
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_end = ABSOLUTE(.));
*(.shell .shell.*)
. = ALIGN(32 / 8);
PROVIDE (__ram_shell_end = ABSOLUTE(.));
} > ddr_sdram

3 動態(tài)函數(shù)表創(chuàng)建
由工具自動根據(jù)系統(tǒng)中的全局函數(shù)創(chuàng)建的命令被稱為自動命令。自動命令使用戶可以在命令行中調(diào)用任意普通函數(shù)，即使開發(fā)人員沒有聲明這些函數(shù)為命令。自動命令也需要一個數(shù)組包含系統(tǒng)中所有全局函數(shù)的信息，這個表為動態(tài)函數(shù)表。使用一個腳本根據(jù)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件自動生成動態(tài)函數(shù)表。要先編譯軟件，生成可執(zhí)行文件；再調(diào)用腳本創(chuàng)建動態(tài)函數(shù)表；最后再編譯出包含動態(tài)函數(shù)表的可執(zhí)行文件。

在腳本中先使用GNU的nm工具從可執(zhí)行文件導(dǎo)出所有全局符號，再使用grep提取出包括函數(shù)名的行，接著使用cut刪除函數(shù)名前的地址信息，使用sed將字符T替換為創(chuàng)建命令的宏SHELL_CMD_DECL_AUTO，并在行尾添加括號。最后將所有這些信息寫入一個C源代碼文件，交給編譯器編譯，就能得到一個動態(tài)函數(shù)表。

4 自動命令參數(shù)個數(shù)
為了便于開發(fā)人員使用，自動命令最好能適應(yīng)所有函數(shù)類型，假設(shè)都是unsigned int的函數(shù)類型。對于可以成功轉(zhuǎn)化為unsigned int類型整數(shù)的參數(shù)，將真實的值傳遞給函數(shù)；對于其他參數(shù)，則將參數(shù)作為一個字符串傳遞給函數(shù)。

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5 字符輸入
命令行從標準輸入設(shè)備中獲取字符。命令行只接受可打印的字符和特定的控制字符。如果收到了回車或者換行字符，代表用戶完成了命令輸入，就解析命令。解析命令前，去掉多余的空格符（0x20），即不允許有連續(xù)的兩個或多個空格符存在，命令的最后也不能有空格符。

6 參數(shù)解析
命令行模塊要從用戶輸入的字符串中解析出命令名和參數(shù)。為命令提供與DOS和Linux類似的兩個參數(shù)，argc和argv。argc表示參數(shù)的個數(shù)；argv是字符串指針的數(shù)組，最多10個字符串。argv[0]是第一個參數(shù)，argv[1]是第二個參數(shù)，如此類推。

7 函數(shù)解析
在代碼中使用SHELL_CMD_DECL創(chuàng)建了命令列表，使用工具創(chuàng)建了自動命令列表。這兩個表實際上都是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ncommand_t的數(shù)組，其中有命令名和函數(shù)地址的信息。解析函數(shù)實際上就是根據(jù)在這兩個數(shù)組中依次比較函數(shù)名。如果用戶輸入的命令名和數(shù)組中的命令名一致，就使用對應(yīng)的函數(shù)地址。

8 命令執(zhí)行
得到函數(shù)地址后，就可以執(zhí)行命令對應(yīng)的函數(shù)。對于主動創(chuàng)建的命令，使用argc和argv作為參數(shù)。對于自動命令，命令行模塊先嘗試將原始參數(shù)轉(zhuǎn)換無符號整數(shù)。如果成功，使用無符號整數(shù)作為參數(shù)；如果不成功，則將原始參數(shù)的地址作為參數(shù)，實際上是一個字符串。

命令設(shè)計
完成總體設(shè)計后，就可以逐個添加開發(fā)需要的命令了。

● 幫助命令用于顯示所有命令名及其用法。

● IO命令用來訪問輸入輸出設(shè)備的寄存器，可以實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。

● 存儲器命令用來顯示、修改存儲器的值。最基本的包括：dump命令顯示指定位置的內(nèi)存的值；modify命令用來修改指定內(nèi)存單元的值。

● 用戶在使用過程中，會使用很多命令。能夠查詢歷史命令、循環(huán)執(zhí)行歷史命令將給用戶帶來很多方便。因此筆者實現(xiàn)了三條命令。history_show用來顯示所有已經(jīng)使用了的命令；history_del用來刪除指定的歷史命令；history_exec用來執(zhí)行指定的歷史命令。

優(yōu)化處理
Altera提供了簡化版的輸出函數(shù)alt_printf來替代printf，降低了嵌入式系統(tǒng)的開銷，筆者在命令行中也支持這個這個函數(shù)。命令行的代碼中，只調(diào)用SHELL_PRINT；在頭文件中，根據(jù)用戶設(shè)置，SHELL_PRINT使用標準的printf或者簡化的alt_printf。如果使用簡化的alt_printf，這個命令行占用的內(nèi)存小于14KB。

在SOPC系統(tǒng)中的應(yīng)用
Altera為SOPC系統(tǒng)開發(fā)提供的集成開發(fā)環(huán)境NIOS II IDE附帶了多個軟件實例。在使用這些軟件實例時，用戶只需要選擇模塊，完全不用新編代碼，非常簡單。

智能命令行模塊也可以作為NIOS II IDE的一個實例。先在“nios2edsexamplessoftware”目錄下為命令行創(chuàng)建一個子目錄shell_standard，再以其他軟件實例的template.xml為模板創(chuàng)為命令行建一個template.xml文件，然后復(fù)制命令行模塊的所有文件到這個目錄中。這樣，用戶在創(chuàng)建工程時，直接選中智能命令行模板，就可以使用智能命令行模塊了。