基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設(shè)計
FPGA是通過邏輯組合電路來實(shí)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(dú)特的并行處理架構(gòu),可以輕松實(shí)現(xiàn)同時對多個外部設(shè)備的配置和管理,以及內(nèi)外各種接口數(shù)據(jù)的傳輸?,F(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(yùn)算密集的應(yīng)用,因此在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)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(fù)雜工程中對各個程序的使用調(diào)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(jìn)行統(tǒng)一的管理。Linux 系統(tǒng)則因?yàn)槠淞己玫目刹脺p、可配置等特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 Linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級的應(yīng)用,例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程調(diào)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(yīng)用資源,利用這些資源和強(qiáng)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(fù)雜系統(tǒng)。因此,結(jié)合FPGA和Linux雙方優(yōu)勢,可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(shè)計
本設(shè)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(yùn)行頻率300MHz時,具有420D-MIPS性能,能解決高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題,并且能解決通過網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)對各種外部設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,本設(shè)計在板上擴(kuò)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(yùn)行空間?,F(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(jī)上編寫好的可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板上,這就需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)這個功能。本設(shè)計由于對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)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(jī)設(shè)計,實(shí)現(xiàn)10/100/1000M自適應(yīng)傳輸,并且Linux本身對這個芯片提供了驅(qū)動支持,實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。操作系統(tǒng)加載到DDR 中能快速有效的運(yùn)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(yùn)行。FPGA設(shè)計當(dāng)然會擴(kuò)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(shè)備,本設(shè)計也不例外,擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行電路設(shè)計時,是以FPGA為核心,向外擴(kuò)展各種設(shè)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(yīng)大于地址線,DDR各個信號還需要47Ω的并行端接,改善信號質(zhì)量。千兆 PHY 輸出MDI信號也需要在頂層做差分等長,不然在進(jìn)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(shè)計
首先需要調(diào)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(diào)用這些器件的驅(qū)動操作他們。本設(shè)計采用的是EDK10.1.2版本,PPC方面選用ppc405內(nèi)核,頻率設(shè)定在300MHz,同時需要添加中斷輸入引腳,以便響應(yīng)以太網(wǎng)、串口等外部中斷,其他使用默認(rèn)設(shè)置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模塊,需要設(shè)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(shè)置獨(dú)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(shè)計需要設(shè)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(shè)置FLASH類型和讀寫時間。為了方便調(diào)試,還需要加入串口控制臺模塊,本設(shè)計使用的是UartLite模塊,設(shè)置需要的波特率和校驗(yàn)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(shè)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(gòu)建如圖3所示。
[!--empirenews.page--]
本設(shè)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(gòu)的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅(qū)動源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項(xiàng)下設(shè)置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑,然后在軟件平臺設(shè)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(qū)動信息,把他加入到Linux 內(nèi)核中,然后配置內(nèi)核選項(xiàng)選擇對應(yīng)的處理器架構(gòu)、所選硬件的驅(qū)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(jìn)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(yùn)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(yīng)用程序、庫以及系統(tǒng)配置等相關(guān)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(gòu)造。構(gòu)造完成之后,在Busybox 生成的目錄和文件的基礎(chǔ)上再構(gòu)造根文件系統(tǒng)的目錄樹,并添加相關(guān)設(shè)備文件和配置文件以及系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(shè)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(diào)試窗口,使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中,然后運(yùn)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(yùn)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(zhuǎn)換為FLASH能識別的.SREC文件,需要在EDK Shell下運(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)行了。
設(shè)計結(jié)果與分析
在Linux系統(tǒng)正常加載后,我們設(shè)計一個程序,它通過以太網(wǎng),從上位機(jī)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(jī)。
通過實(shí)驗(yàn)證明,在FPGA加入操作系統(tǒng)后,能輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(yùn)行的頻率不高,最多600MHz,中斷響應(yīng)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(shè)計中進(jìn)一步完善和提升。
結(jié)語
本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設(shè)計流程,從硬件設(shè)計到Linux系統(tǒng)加載,再到應(yīng)用程序運(yùn)行整個過程,從中可以看出,該設(shè)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(diào)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(jié)合, 既滿足了嵌入式應(yīng)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(qiáng)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(yùn)用。