软件总体架构图.doc

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1软件总体架构图

软件结构如图1.1所示：

图1.1FPGA数据采集软件架构图

以上是系统的软件结构框图，我们下面将就具体每一个步骤的设计进行一个简要的描述：

2MicroBlazeIP核设计

IP字面意思是知识产权，在微电子领域，具有知识产权的功能模块成为IPCore或IP核。

IP可以用来生成ASIC和PLD逻辑功能块，又称为虚拟器件VC。

IP核可以有很多种，比如UART、CPU、以太网控制器、PCI接口等。

根据IP核描述的所在集成电路的设计层次，IP可以分为硬IP、软IP、固IP。

硬IP的芯片中物理掩膜布局已经得到证明，所有的验证和仿真工作都已经完成，用它可以直接生产硅片，系统设计者不能再对它进行修改。

而软IP是以行为级和RTL级的Verilog或VHDL代码的形式存在，它要经过逻辑综合和版图综合才能最终实现在硅片上。

固IP则介于两者之间。

Xilinx公司的MicroBlaze32位软处理器核是支持CoreConnect总线的标准外设集合。

MicroBlaze处理器运行在150MHz时钟下，可提供125D-MIPS的性能，非常适合设计针对网络、电信、数据通信和消费市场的复杂嵌入式系统。

1．MicroBlaze的体系结构

MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核，和其它外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片（SOPC）的设计。

MicroBlaze处理器采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线，可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其中的数据，如图4.1所示

图2.1MicroBlaze内核结构框图

（1）内部结构

MicroBlaze内部有32个32位通用寄存器和2个32位特殊寄存器——PC指针和MSR状态标志寄存器。

为了提高性能，MicroBlaze还具有指令和数据缓存。

所有的指令字长都是32位，有3个操作数和2种寻址模式。

指令按功能划分有逻辑运算、算术运算、分支、存储器读/写和特殊指令等。

指令执行的流水线是并行流水线，它分为3级流水：

取指、译码和执行，如图4.2所示。

图2.2MicroBlaze的流水线

（2）存储结构

MicroBlaze是一种大端存储系统处理器，使用如图4.3所式的格式来访问存储器。

图2.3大端数据格式

（3）中断控制和调试接口

MicroBlaze可以响应软件和硬件中断，进行异常处理，通过外加控制逻辑，可以扩展外部中断。

利用微处理器调试模块（MDM）IP核，可通过JTAG接口来调试处理器系统。

多个MicroBlaze处理器可以用1个MDM来完成多处理器调试。

（4）快速单一链路接口

MicroBlaze处理器具有8个输入和8个输出快速单一链路接口（FSL）。

FSL通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输口。

FLS和MicroBlaze的接口宽度是32位。

每一个FSL通道都可以发送和接收控制或数据字。

2.CoreConnect技术

CoreConnect是由IBM开发的片上总线通信链，它使多个芯片核相互连接成为一个完整的新芯片成为可能。

CoreConnect技术使整合变得更为容易，而且在标准产品平台设计中，处理器、系统以及外围的核可以重复使用，以达到更高的整体系统性能。

Xilinx将为所有嵌入式处理器用户提供IBMCoreConnect许可，因为它是所有Xilinx嵌入式处理器设计的基础。

MicroBlaze处理器使用了与IBMPowerPC相同的总线，用作外设。

虽然MicroBlaze软处理器完全独立于PowerPC,但它让设计者可以选择芯片上的运行方式，包括一个嵌入式PowerPC，并共享它的外设。

CoreConnect总线架构如图4.4所示。

它包括片上外围总线（OPB），处理器本机总线（PLB），设备控制寄存器（DCR）总线以及1个总线桥和2个判优器。

图2.4CoreConnect总线架构

（1）片上外设总线（OPB）

内核通过片上外设总线（OPB）来访问低速和低性能的系统资源。

OPB是一种完全同步总线，它的功能处于一个单独的总线层级。

它不是直接连接到处理器内核的。

OPB接口提供分离的32位地址总线和32位数据总线。

处理器内核可以借助“PLBtoOPB”桥，通过OPB访问从外设。

作为OPB总线控制器的外设可以借助“OPBtoPLB”桥，通过PLB访问存储器。

（2）处理器本机总线（PLB）

PLB接口为指令和数据一侧提供独立的32位地址和64位数据总线。

PLB支持具有PLB总线接口的主机和从机通过PLB信号连接来进行读写数据的传输。

总线架构支持多主从设备。

每一个PLB主机通过独立的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接。

PLB从机通过共享但分离的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接，对于每一个数据总线都有一个复杂的传输控制和状态信号。

为了允许主机通过竞争来获得总线的所有权，有一个中央判决机构来授权对PLB的访问。

（3）设备控制寄存器总线（DCR）

设备控制寄存器总线（DCR）是为在CPU通用寄存器（GPRs）和DCR的从逻辑设备控制寄存器（DCRs）之间传输数据而设计的。

3.MicroBlaze的开发

应用EDK（嵌入式开发套件）可以进行MicroBlazeIP核的开发。

工具包中集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试工具等。

EDK中提供一个集成开发环境XPS（XilinxPlatformStudio）,以便使用系统提供的所有工具，完成嵌入式系统开发的整个流程。

EDK中还带有一些外设接口的IP核，如LMB、OPB总线接口、外部存储控制器、SDRAM控制器、UART、中断控制器、定时器等。

利用这些资源，可以构建一个较为完善的嵌入式微处理器系统。

在FPGA上设计的嵌入式系统层次结构为5级，可在最低层硬件资源上开发IP核，或利用已开发的IP核搭建嵌入式系统，这是硬件开发部分；开发IP核的设备驱动、应用接口（API）和应用层（算法），属软件开发内容。

利用MicroBlaze构建基本的嵌入式系统如图4.5所示。

通过标准总线接口——LMB总线和OPB总线的IP核，MicroBlaze就可以和各种外设IP核相连。

图2.5MicroBlaze系统架构图

EDK中提供的IP核均有相应的设备驱动和应用接口，使用者只需利用相应的函数库，就可以编写自己的应用软件和算法程序。

对于用户自己开发的IP核，需要自己编写相应的驱动和接口函数。

软件设计流程如图4.6所示。

图2.6软件开发流程

3移植uclinux

首先不管什么平台，移植uclinux，整个流程都遵从于:

Kernelpreparation—>isntallBSP—>Buildhardwareplatform—>Memorytest—>Buildkernelimage—>Download具体来说，如下图4.7所示：

图3.1uclinux移植流程

1.搭建开发环境

操作系统：

RedhatHatLinux9，安装的时候添加开发和编译环境。

（编译内核）Windows（安装EDK）

交叉编译工具：

针对不同的CPU系列，有不同的编译环境，通常，程序是在一台计算机上编译，然后再分布到将要使用的其他计算机上。

当主机系统（运行编译器的系统）和目标系统（产生的程序将在其上运行的系统）不兼容时，该过程就叫做交叉编译。

建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，网上有一些编译好的可用的交叉编译工具链可以下载。

下载并安装好，我们的编译环境就搭建好了。

（1）下载并创建BSP

从petalogix站点下载BSP，并安装到电脑上。

把在EDK下生成的包含硬件系统信息的“auto-config.in”文件复制到linux的/home/devel/src\uClinux-2.4.x\arch\microblaze\platform\uclinux-auto路径下。

编译器需要从auto-config.in文件里知道“theaddressmapandtheprocessorsystem”以及其它相关信息。

（2）配置内核

在网站上下载源代码包，并安装在系统的任意目录。

此时，就可以使用命令来进行内核的配置了：

$cd~/uClinux-dist

$makemenuconfig

这里，我们需要进行一系列内核配置的选择。

（3）编译内核生成image文件

$cd~/uClinux-dist

$makedep

$makeclean

$make

这个过程期间将完成下面的内容：

编译内核（Buildkernel）

编译uclinux的C库（Clibraries）

编译用户程序（userapplications）

转换成二进制文件

编译内核文件系统

合并内核和文件系统为一个二进制文件

编译成功，你就会在uClinux-dist的目录下发现一个新的目录images。

里面就包含了你编译成功的系统文件，image.elf和image.bin两个文件。

（4）下载内核文件到目标板

将在上面编译生成的内核文件image.bin下载到目标板上去并运行.

4.1移植工业以太网协议

由于Spartan-3E只提供了物理层（PHY）的网络控制器，所以对于处理本装置的物理层以上的网络设备，需要重新制定适合本系统的网络协议。

工业以太网EtherNet/IP，是一种适用于工业环境的通讯体系，能够在广阔的区域中支持大量现场设备的连接。

它采用通用工业协议（CIP）作为其应用层协议。

CIP协议支持各种控制、配置和信息处理服务，包括显式报文（用于信息传输，灵活的报文交换）以及隐式报文（用于控制和实时I/O数据的传输），支持轮询、周期和状态改变数据传输触发机制，点对点单播和广播数据传输方式[3]。

OE服务的设计简化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作环境文件来适合FPGA操作体系。

4.2移植BOA

从www.boa.org下载一个主流版本的BOA源码包，本系统用的是boa-0.94.13.tar.gz。

第一步：

修改Makefile文件，编译BOA源码，生成BOA可执行文件。

修改Makefile文件，因为我们要编译的是二进制代码，所以必须修改Makefile中的CC和CPP，然后运行make进行编译，得到可执行程序BOA。

第二步：

配置BOA。

BOA启动时将加载一个配置文件boa.conf，在boa程序运行前，必须首先编辑该文件。

在Boa源码目录下已有一个示例boa.conf，可以在其基础上修改。

配置好的主要内容如下：

Usernobody

Group0

ServerNameXilinxFPGA

ErrorLog/var/log/boa/error_log

AccessLog/var/log/boa/access_log

DocumentRoot/var/www

MimeTypes/etc/mime.types

ScriptAlias/cgi-bin//var/www/cgi-bin/

据此配置，需要创建日志文件目录/var/log/boa，HTML文档的主目录/var/www，将静态网页存入该目录下，CGI脚本所在目录/var/www/cgi-bin，将cgi的脚本存放在该目录下。

4.3CGI网关接口程序

CGI（通用网关接口）提供Web服务器一个执行外部程序的通道，这种服务端技术建立了Web浏览器与W