FPGA应用程序加载.docx

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FPGA应用程序加载

基于XilinxFPGA的嵌入式Linux设计流程

FPGA是通过逻辑组合电路来实现各种功能的器件。

由于FPGA部集成了大量的逻辑资源和可配置的I/O引脚，加上独特的并行处理架构，可以轻松实现同时对多个外部设备的配置和管理，以与外各种接口数据的传输。

现在开发厂商又在FPGA部参加了大量的DSP和BlockRAM资源，非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用，因此在这些领域取得了广泛的应用。

但是由于FPGA程序编写的灵活性和功能的多样性，使得它在一个复杂工程中对各个程序的使用调度、统筹管理上有很大的局限性，这样就必须引入操作系统进展统一的管理。

Linux系统那么因为其良好的可裁减、可配置等特点在嵌入式领域应用广泛。

Linux操作系统提供了许多系统级的应用，例如网络协议的实现、进程调度、存管理等，同时Linux是一个成熟的开源操作系统，有丰富的应用资源，利用这些资源和强大的系统功能，用户可以快速地开发基于嵌入式环境复杂系统。

因此，结合FPGA和Linux双方优势，可以很好地满足嵌入式系统设计需求，量体裁衣，去除冗余。

本文给出了一种基于XilinxFPGA的嵌入式Linux操作系统解决方案。

基于FPGA的嵌入式系统的硬件设计

本设计是基于XilinxXC4VFX40系列FPGA，它部集成了两个PowerPC405处理器,4个10/100/1000M以太网MAC模块，运行频率300MHz时，具有420D-MIPS性能，能解决高速网络数据传输问题，并且能解决通过网络加载操作系统和交叉编译等问题。

它部有448个可配置I/O口，2592kbBlockRAM，能实现对各种外部设备的并行控制以与较多数据的存储与处理。

加载一个操作系统，一般需要几十兆的存空间，FPGA部自带的RAM空间是远远不够的，本设计在板上扩展了两片MICRON公司的256MbDDR存，作为上电时操作系统的加载和运行空间。

现在主流的嵌入式操作系统，都需要搭建交叉编译环境，把在主机上编写好的可执行文件下载到目标板上，这就需要实现网络数据的传输。

由于XC4VFX40自带了以太网MAC模块，只需要在外面添加个PHY芯片和带隔离器的RJ45接口就能实现这个功能。

本设计由于对网络数据实时性要求很高，因此采用Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1111-RCJ。

它能根据自身配置和主机设计，实现10/100/1000M自适应传输，并且Linux本身对这个芯片提供了驱动支持，实现无缝。

操作系统加载到DDR中能快速有效的运行，但是掉电就会丢失，因此必须参加FLASH芯片，把系统文件存储到外部FLASH中。

加电时，FPGA把操作系统文件从FLASH读入到DDR中运行。

FPGA设计当然会扩展很多接口出来，利用自身并行处理的优势，控制很多外围设备，本设计也不例外，扩展了8个通用的GPIO，2个PS/2接口，1个USB接口，1个AC97声卡接口，1个HotLink接口，以与4个RS422接口，同时扩展了两个CPCI接口，引出了16位数据地址线和Ethernet控制线，整个系统的硬件框图如图1所示。

在进展电路设计时，是以FPGA为核心，向外扩展各种设备，因此特别注意了FPGA各个引脚的连接。

由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V电压，因此和DDR、PHY芯片连接引脚所在的BANK需要提供+2.5V电压参考，并且不能接以LVTTL或LVCMOS为电压参考的引脚。

重要快速的时钟信号必须接到全局时钟引脚上。

由于FPGA需要通过外部FLASH启动操作系统，需要并行配置，以减少加载时间，配置电路如图2所示。

在DDR布线时，数据和地址线需要走等长线，数据线之间不能相差10Mil,地址线要控制在20Mil以，时钟也需要走差分等长线，长度应大于地址线，DDR各个信号还需要47Ω的并行端接，改善信号质量。

千兆PHY输出MDI信号也需要在顶层做差分等长，不然在进展1000M数据传输时很可能不稳定。

DDR和PHY需要完整的电源回路做参考，电源层划分时也要特别注意，其他电路做常规处理就可以了。

EDK和ISE软件设计

首先需要调用Xilinx提供的EDK软件，对各个模块参加必要的IPCORE，以便操作系统能正常调用这些器件的驱动操作他们。

本设计采用的是EDK10.1.2版本，PPC方面选用ppc405核，频率设定在300MHz，同时需要添加中断输入引脚，以便响应以太网、串口等外部中断，其他使用默认设置。

DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-MemoryController模块，需要设置DDR芯片厂商、大小和数据位数等，特别指出的是，要设置独立的两条PLB总线和PPC连接，作为PPC的指令和数据总线。

MAC单元需要参加XPS_LL_TEMAC模块来控制，本设计需要设置PHY类型为GMII（千兆以太网），同时要指定物理地址和收发FIFO大小。

FLASH单元需要参加xps_mch_emc模块，同时设置FLASH类型和读写时间。

为了方便调试，还需要参加串口控制台模块，本设计使用的是UartLite模块，设置需要的波特率和校验类型。

特别注意的是，系统还需要时钟管理模块（DCM），提供各个模块需要的不同时钟，还要设置一段FPGA部RAM区域，放置PPC的.boot文件。

外部这些模块都通过PLB总线和PPC通信，需要统一编址，一般把DDR存空间地址分配到0x0开始，整个系统的构建如图3所示。

本设计，除了在EDK中搭建了操作系统必须的各种模块后，还需要在ISE中编写各个时序电路程序，因此把EDK中编写好的工程作为一个模块，参加到ISE中，然后统一编译，这样生成了我们需要的完整功能的程序。

特别指出的是，PPC405数据地址采用的是大端模式，接入到ISE中时，需要把数据颠倒位置，如DATA[0：

31]变为DATA[31:

0]，才能正常读写。

Linux操作系统的加载与烧写

加载Linux操作系统需要利用EDK软件提供的板级升级包（BSP）配置核。

BSP包含了所选定处理器架构的属性文件以与相关硬件的驱动源文件。

首先要在EDKProjectOption中ProjectPeripheralRespository选项下设置Xilinx提供的gen-mhs-devtree/edk_lib库路径，然后在软件平台设置中选择Dts模式，编译更新升级包，生成.dts配置文件。

Dts文件包含了所有模块地址分配，中断以与驱动信息，把他参加到Linux核中，然后配置核选项选择对应的处理器架构、所选硬件的驱动模块以与需要的其他核模块，之后再对完成配置的核进展编译，生成Linux的核image文件。

生成核image文件之后，还需要生成系统运行所需要的根文件系统。

根文件系统中包含了嵌入式Linux系统的所有应用程序、库以与系统配置等相关文件。

根文件系统中常用的程序和命令可利用开源软件Busybox构造。

构造完成之后，在Busybox生成的目录和文件的根底上再构造根文件系统的目录树，并添加相关设备文件和配置文件以与系统运行时需要的脚本文件,从而形成最终的根文件系统，ramdisk.image。

把他拷贝到核中的../arch/powerpc/boot目录下，在linux2.6.x根目录下运行makezlmage.initrt，生成最终的系统文件。

需要指出的是，在编译linux核时，需要设置好交叉编译环境：

首先安装ELDK编译软件，然后在编辑自己的目录下的.bashrc（例如：

/home/ppc/）中参加下面容:

CROSS_COMPILE=ppc_4xx

$PATH=$PATH:

/home/ppc/PowerPc/ELDK/usr/bin:

/home/ppc/PowerPc/ELDK/binexportCROSS_COMPILEPATH

保存，然后执行$source.bashrc

把生成的zlmage.initrd文件通过EDK软件下的XMD调试窗口，使用dowzlmage.initrd命令下载到DDR中，然后运行run命令，就正常启动Linux了。

程序下载到DDR中，掉电后，数据就丢失了，不能保存和连续使用，因此要把操作系统烧写到FLASH，上电后让它能自动运行，掉电后也不会丢失。

EDK提供了专门的FLASH烧写工具ProgramFlashMemory，首先要把zlmage.initrd文件转换为FLASH能识别的.SREC文件，需要在EDKShell下运行下面命令：

$powerpc-eabi-objcopy–Ielf32-powerpc–OsreczImage.initrd.srec

第一次烧写FLASH时需要把ProgramFlashMemory中CreateFlashBootlooderApplication勾上，让系统自动生成Bootlooder程序。

操作系统烧写到Flash中后，需要FPGA在上电后自动从FLASH读取操作系统数据，然后自动运行，这几需要把刚刚生成的bootloadr_0工程中的.elf参加到.bit生成新的配置文件，使用EDK下的UpdataBitstream命令就能实现。

最后把生成的.mcs文件烧写到FPGAPROM中，上电后，系统就能自动运行了。

设计结果与分析

在Linux系统正常加载后，我们设计一个程序，它通过以太网，从上位机获得数据，存入FPGA部BlockRam中，再在ISE中编写程序，把获得的数据取出，产生频率可变的波形发生器，并回传发送的参数给上位机。

通过实验证明，在FPGA参加操作系统后，能轻松实现网络数据的收发，并通过FPGA自身的逻辑，产生我们需要的各种控制信号，做到了系统的统一调度和各个功能的并行处理，发挥了操作系统和FPGA各自的优势。

但是也发现，FPGA下操作系统运行的频率不高，最多600MHz，中断响应间隔较长，大约3ms左右，系统上电启动时间较长，大约40s左右，这些都需要在今后设计中进一步完善和提升。

结语

本文介绍了基于FPGA的嵌入式Linux设计流程，从硬件设计到Linux系统加载，再到应用程序运行整个过程，从中可以看出，该设计既发挥了FPGA并行处理和多时序控制上的优势，也发挥了嵌入式Linux系统调度和可裁剪性方面的优势，还提高了这个系统的稳定行，也减少了FPGA与外部高速总线连接的资源开销，二者的结合,既满足了嵌入式应用按需定制、量体裁衣的需求,又能开发出稳定而功能强大的嵌入式系统，在现在嵌入式系统开发中有很好的运用。

MicroBlaze处理器的PetaLinux操作系统移植

引言

随着FPGA（FieldPrograromableGateArray，现场可编程门阵列）技术的迅速开展，SOPC（SystamOnaPrograromableChip，可编程片上系统）作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，已逐渐成为一个新兴的技术方向。

SOPC融合了SoC和FPGA各自的优点，并具备软硬件在系统可编程、可裁减、可扩大、可升级的功能。

其核心是在FPGA上实现的嵌入式微处理器核，而如何针对特定的微处理器选择适宜的嵌入式操作系统是SOPC开发的难点之一。

本文针对Xilinx公司的MicroBlaze软核，介绍了PetaLinux嵌入式操作系统与其移植方法，研究了PetaLinux的相关配置和启动方案。

1基于MicroBlaze处理器的系统设计

1．1MicroBlaze处理器简介

MicroBlaze软核处理器是一种针对XilinxFPGA器件而优化的功能强大的微处理器。

它部采用RISC架构的32位指令和数据总线，支持CoreConnect片上总线的标准外设计集合，具有兼容性和重复利用性，且可根据性能需求和逻辑区域本钱任意裁减，极扩展了应用围，其最精简的核只需要将近400个Slice。

MicroBlaze的CoreConnect总线、它能够将FPGA各种不同的IP核连接到一起构成一个完整的系统。

CoreConnect总线是一个总线标准的集合，它包括PLB总线（ProcessorLocalBus，处理器本地总线），LMB总线（LocalMemoryBus，高速本地存储器总线），FSL（FastSimplexLink，快速单连接）总线，以与XCL（XilinxCacheLink）总线等。

1．2系统结构和外部设备概述

本系统主要是在Virtex-4开发板上构建一个以MicroBlaze处理器为中心的嵌入式信号处理系统，在FPGA部实现系统的总线架构、数据存储、地址译码、外设接口等系统部件和功能。

各功能部件在FPGA部都以IP核的形式构建并连接，整个系统的结构框图如图1所示。

其中，SysACE用于存放文件系统和应用程序配置文件，INTC用来实现中断控制；GPIO和UART16550用于系统调试，自定义IP核DDC用来实现数字接收机下变频功能，这些外设通过PLB总线与MicroBlaze处理器和DDR相连；用于快速傅里叶变换的自定义IP核FFT通过FSL总线与Micr-oBlaze部通用存放器直接相连，实现了数据的快速传输；DDR通过XCL总线与MicroBlaze处理器相连，实现了MicroBlaze处理器对片外存储器的高速访问。

1．3嵌入式操作系统的选择

选用PetaLinux嵌入式操作系统。

它是PetaLogix公司专门针对FPGA的片上系统设计的嵌入式Linux开发套件，在满足应用工程的逻辑编程能力和对嵌入式Linux要求的同时，可极缩短产品开发周期。

PetaLinux作为专门针对于XilinxFPGA的嵌入式Linux解决方案，不但提供了专门的BSP生成器，而且提供了众多的参考设计，可以帮助设计者快速掌握PetaLinux的配置方法。

PelaLinux核正在不断的完善之中，且不断地参加基于XilinxFPGA嵌入式系统IP核的设备驱动，比如XilinxUSB、SysACE、FSL总线设备驱动、10／100／1000M三态以太网MAC等。

这些设备驱动极减轻了嵌入式系统开发者的工作量，缩短了产品开发的周期。

2PetaLinux系统移植

在SOPC硬件系统构建完成后，就要针对此结构配置操作系统核，下面介绍具体步骤。

2．1建立交叉编译环境

嵌入式系统开发一般采用交叉编译的方法，即在宿主机上对核和应用程序进展编译，生成目标机处理器可执行的二进制位流文件，将此文件下载到目标机运行。

PetaLinux针对MicroBlaze处理器建立了交叉编译器，运行source．／settings．sh脚本，系统会自动建立交叉环境。

2．2建立硬件平台

PetaLinux为每个应用工程建立一个文件夹，里面保存该工程的硬件配置。

在移植PetaLinux时，只需选择相应的硬件平台，核就会读取该工程文件夹下的配置文件。

使用PetaLinux-new-platform命令建立硬件平台，如果使用MMU（虚拟存管理单元），那么在此命令后添加-m选项。

硬件平台建立起来后，运行makemenuconfig命令，在Vendor／ProductSeletion选项中，选择该硬件平台。

另外，还需将在EDK下生成的配置文件转换成Linux操作系统可以识别的格式。

在工程文件夹下运行PetaLinux-copy-autoconfig命令，自动完成格式转换，并拷贝配置文件到已选择的工程文件夹下。

2．3添加自定义设备驱动

本系统自定义了IP核，因此必须开发驱动程序并将其添加到PetaLinux配置中。

添加自定义设备驱动主要步骤如下：

①在平台配置目录下Makefile文件中添加语句platobj-$（CONFIG_PETALOGIX_DDC）+=ddc．o和$（obj）／ddc．o：

．config使设备初始化函数ddc．C与核配置相关联；

②在驱动程序所在目录下的Makefile文件中添加obj-$（CONFIG_PETALOGIX_DDC）+=ddc_adapter．o使设备驱动程序ddc_adapter．c与核配置相关联；

③修改设备驱动程序所在目录下的Kconfig文件，使配置核时可以选择该设备驱动，并添加以下语句：

通过以上文件的修改，就可以在配置PetaLinux核时选择自定义的设备驱动。

2．4配置PetaLinux核

由于Linux核的可裁减性，能够方便地对核进展修改、裁减、编译，最终移植到一个嵌入式系统中。

运行图形编辑工具makemenuc-onfig命令，对核和系统环境进展配置。

在核配置的设备驱动选项中，一定要选择与系统硬件配置一致的硬件设备驱动，否那么核编译时就会出错。

针对本系统的硬件配置，主要配置以下几项驱动：

①[Blockdevices]块设备。

选择XilinxSystemACEsupport。

②[Miscdevice]混杂设备。

选择FSLFIFOdriver，然后进入FSLChannelSelection，选择FIFOonFSLO，并选择自添加设备驱动Pet-aLogixDDC101Driver。

③[Networkdevicesupport]网络设备。

选择Ethernet（1000Mbit）子菜单中的Xilinx10／100／1000LLTEMACsupport。

④[Characterdevices]字符设备。

选择Serialdrivers子菜单中的8250／16550andcompatibleserialsupport和Consoleon8250／16550andcompatibleserialport。

文件系统选项中，默认选择了ext2、romfs和cramfs文件系统，其他文件系统可以根据需要自行选择。

本系统需要挂载DOS文件系统的CF卡，因此进展以下配置：

①[DOS／FAT／NTFilesystems]。

选择MSDOSfssupport。

②[NativeLanguageSupport]。

选择Codepage437（UnitedStates，Canada）。

核配置中的其他配置可以根据目标系统的不同灵活配置，配置完成后保存退出，自动进入系统环境配置菜单。

系统环境配置是对Peta-Linux的属性、命令进展配置，主要有以下几个选项：

①[SystemSettings]系统设置。

配置系统的网络地址、默认用户名、默认登陆密码和所用根文件系统等容。

②CoreApplications]核应用。

主要配置核的常用特性。

③[NetworkApplications]网络应用。

配置网络应用时的相关命令。

④[MiscellaneousApplications]混杂应用。

配置系统核中的命令。

⑤[BusyBox]。

配置系统核中的命令。

PetaLinux已经设置好了编译规那么，因此配置完成后，依次执行命令makedep、makeclean、makeall，建立文件依赖关系，去除旧的文件，编译核，生成核image。

3PetaLinux启动方案

经过编译的PetaLinux核image文件主要有image．bin、image．elf、image．ub。

根据选择image文件的不同，PetaLinux有4种启动方案：

XMD下载启动、TFTP网络下载启动、Flash启动和SysACECF卡启动。

其中，XMD和TFTP网络下载启动方案，在每次系统上电后都必须重新下载，适用于系统调试；Flash启动方案在系统上电后自动从Flash中读取配置文件，但Flash烧写速度较慢，更改系统配置较为不便。

因此，本系统选用SysACECF卡启动方案。

使用SysACECF卡启动PetaLinux，先将硬件比特流文件和image．elf制作成ACE文件，再复制到CF卡中，配置CF卡启动PetaLinux。

制作ACE文件，可在EDKShell窗口运行命令：

xmd-tclgenace．tcl（命令工具）

-jprog-boardm1402（所需的开发板）

-hwimplementation／download．bit（生成的比特流文件）

-elfimage．elf（编译Linux核生成的可执行网表文件）

-acesystem．ace（需生成的ACE文件）

成功后，适合于ML-402开发板的ACE文件就生成了。

Linux运行需要根文件系统的支持，启动时必须加载文件系统以支持系统的运行，而image．elf中不包含文件系统。

因此，使用SysACECF卡启动时必须手动加载文件系统。

在编译PetaLinux核时，已经生成了以romfs文件夹为名称的文件系统，所以只需将CF卡分区和格式化，然后挂载此文件系统。

具体步骤如下：

①将CF卡挂载到Linux系统中，运行命令fdisk／dev／sda把CF卡分成3个区。

第1分区存放system．ace文件，第2分区为LinuxSwap交换分区，第3分区存放根文件系统。

②Linux下格式化第3分区为ext2文件系统，运行命令mke2fs／dev／sda3。

在／ete／fstab下输入命令／dev／sda3／mnt／rootfsautodefaults，user，noauto00。

把设备sda3挂在／mnt／rootfs文件下，文件系统为默认的ext2，普通用户，能挂载，不转储，启动时不扫描文件系统。

通过命令mount／mnt／rootfs挂载该目录，这样就可以把根文件系统rootfs拷贝到CF卡的该分区上。

③Windows下格式化第1分区为FAT32文件系统，把system．ace复制到这个分区。

④Linux下格式化第2分区为交换分区，运行命令mkswap／dev／sda2。

一切准备就绪后，插入CF卡，开启电源，就可以从CF卡启动PetaLinux。

结语

本文介绍了一种可用于MicroBlaze处理器的嵌入式Linux操作系统——PetaLinux，并详细讨论了其核配置和启动方案。

通过移植Peta-Linux，本文开发的SOPC可以直接用于实际工程。

该嵌入式操作系统移植快速、简单，由于其基于Linux2．6核，可以保证较高的稳定性。

因此，在SOPC应用日益复杂的背景下具有较高的实用价值。

本文创新点：

实现了PetaLinux在MicroBlaze处理器的移植，并成功实现PetaLinux中自定义硬件设备驱动的添加和SysACECF卡的启动方案。

MPMC的使用

双击Bus_Interface标签栏下的DDR_SDRAM，进入编辑MPMC的界面。

如图3.2.1所示：

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图3.2.1点击DDR_SDRAM

3.2.1BaseConfiguration主标签栏:

BaseConfiguration包含两个标签栏。

其中，用户可以在PortTypeConfiguration中配置端口类型，MPMC最多可以有8个端口，每个端口有前述的4种接口类型XCL，PLBv46，SDMA，NPI以与不使用INACTIVE。

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图3.2.2MPMC端口的4种接口类型以与不使用INACTIVE

分配完毕后可以通过LeftJustify将不工作的端口消除掉。

在这个过程中所有与端口有关的参数和外部总线连接都被移到左边。

图3.2.3点击LeftJustify之前

图3.2.4点击之后

在CommonAddress中可以观察和设置初始地址。

想配置任一个独立的端口地址，需到Advanced标签栏下Address选项选择。

图3.2.5CommonAddress标签栏

3.2.2MemoryInterface主标签栏

MPMC可以与不同厂商的许多不同种存一起工作