PetaLinux操作系统在MicroBlaze系统中的移植.pdf

P e t a L i n u x 操作系统在M i c r o B l a z e 系统中的移植张元铜1。向勇2。郑志国3(1 重庆通信学院，重庆4 0 0 0 3 5；2 重庆师范大学；3 总参通信部驻广州地区军事代表室)摘要：随着性能的逐渐提高以及成本的不断降低，F P G A 在嵌入式领域的应用日益广泛。本文介绍了P e t a L i n u x 操作系统的特点和目录结构，并分析了基于M L D 的B S P 自动生成技术，最后总结了P e t a L i n u x 操作系统移植的具体方法。这对设计基于M i c r o B l a z e 处理器的嵌入式系统具有重要指导意义。关键词：F P G A；M i c r o B l a z e；P e t a L i n u x；移植中图分类号：T P 3 1 6文献标识码：AP o r t i n gP e t a L i n u xt oM i c r o B I a z e!Z h a n gY u a n t o n g j，X i a n gY o n g z，Z h e n gZ h i g u 0 3(1 C h o n g q i n gC o m m u n i c a t i o nI n s t i t u t e，C h o n g q i n g4 0 0 0 3 5，C h i n a；2 C h o n g q i n gN o r m a lU n i v e r s i t y；3 G u a n g z h o uM i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO f f i c eo fC o m m u n i c a t i o n sD i v i s i o n，H e a d q u a r t e r so ft h eG e n e r a lS t a f f)A b s t r a c t：W i t hg r a d u a le n h a n c e m e n ti np e r f o r m a n c ea n dc o n s t a n td e c r e a s ei nc o s t F P G Ai se x t e n s i v e l yu s e di nt h ef i e l do fe m b e d d e ds y s t e m T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i r e c t o r ys t r u c t u r eo fP e t a L i n u xo p e r a t i n gs y s t e m T h eM L D-b a s e dB S Pa u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d T h ep o r t i n gm e t h o d so fP e t a L i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma r es u m m a r i z e d T h i sp a p e rh a si m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rd e s i g n i n ge m b e d d e ds y s t e m sb a s e do nM i c r o B l a z ep r o c e s s o r K e yw o r d s=F P G A；M i c r o B l a z e；P e t a L i n u x；p o r t i n gF P G A 生产商X i l i n x 公司提供了全面的嵌入式处理器解决方案，包括P o w e r P C、M i c r o B l a z e 和P i c o B l a z e 三款R I S C 结构的处理器核。其中，M i c r o B l a z e 是3 2 位嵌入式软核处理器解决方案，支持C o r e C o n n e c t 总线的标准外设集合，具有兼容性、可配置性以及重复利用性，能够根据成本和性能要求提供高性价比的处理性能。支持M i c r o B l a z e 处理器的嵌入式操作系统很多，比如“c o s I I、B u l e C a tM EL i n u x、R T AM B、T h r e a d X、P e t a L i n u x 等等。本文介绍了P e t a L o g i x 公司发布的P e t a L i n u x 操作系统，并分析了X i l i n x 公司所使用B S P 自动生成技术。最后总结出P e t a L i n u x 操作系统在M i c r o B l a z e 平台上的移植方法和步骤。1P e t a L i n u x 操作系统介绍P e t a L i n u x 操作系统是面向M i c r o B l a z e 软核处理器的全功能嵌入式L i n u x 操作系统。其发布采用了“a l li no n e”的整合方式，将针对M i c r o B l a z e 处理器定制的L i n u x 2 4 z 6 内核源码、U b o o t 源码、相关的开发工具以及开发板参考硬件平台配置，集成在一个压缩包内发行，极大地方便了开发人员的使用。该操作系统主要具有以下几大特点：针对F P G A 嵌入式开发的特点采用了板级支持包。自动生成工具，可以根据用户定义的嵌入式硬件平台信息自动生成板级支持包，简化了操作系统的移植。P e t a L i n u x 发布的源码树中包含了部分常用I P 核的驱动程序(如G P I O、E t h e r n e t L i t e、U a r t L i t e 等)，减少了用户移植、编写驱动程序的工作量。根据设计的不同需求，可以通过配置菜单将P e t a L i n u x 配置成w i t h o u tM M Us u p p o r t 和M M Us u p p o r t 两种版本，即t t C l i n u x 和标准L i n u x。P e t a L i n u x 包含了大量的脚本命令(如p e t a l i n u x-c o p y-a u t o c o n f i g、p e t a l i n u x-n e w-p l a t f o r m、p e t a l i n u x-n e w a p p等)，给用户的使用提供了便捷条件。顶级目录下各子目录的结构和功能如图1 所示。在P e t a L i n u x 的目录结构中有硬件、软件和工具3 个顶级目录，分别包含与之相关的文件和代码。针对宿主机操作系统不同的s h e l l 类型，具有Cs h e l l 和B a s hs h e l l 两种P e t a L i n u x 环境变量设置脚本。p a p e r m e s n e Lc o r a,o n(投稿专用)I 国回曰臣I 譬署巨j i 圃M i。，。，。1 1。，。&E。b。a a e ds，。21万方数据V 结h。r G w a u r e乏e 杈一螂e u 却黜摊舛yf 5v b o m：f#w m c e#“q mu f,e f 脚t r c n n-m9 t o f t _ w 争窆胁”x 26x p e t 9 坷 t 4 w 一争n n 工2 4x鬈ru#”神p#移L r s e r m o d m$V t O O t Se V 彩，x q 黯6争n K 吲耐2 e-r l,V o c o o t争 瞅f 口麟a：懈自限I x 一懈如雹碧p m b 口飞s 钿n g c 甜8 黪s e n 9 5 m硬件目录自动配置扳缓支持包生成工具f s b a o t 应用程序的源文件与头文件，G l m x 通用开发板E D K 参考硬件平台配置用户自定义硬件平台保存目录软件目录p c t 甜x m 系统I i n u x 2 6 内核的源玛耳录p e t a I l l H 发布目录p c“u 眦系统L h m x 24 内核的源鹏目录用户应用程序悍存目录用户模块得存目录工具目录常用的p t t a l h m x 脚本工具“蚍x 瑚6 系统下运行的编译器等工具Cs h d l 配置脚本B a s hs h d l 配置脚本图1P e t a L i n u x 操作系统目录结构2基于M L D 的B S P 生成技术在嵌入式系统中，B S P(B o a r dS u p p o r tP a c k a g e，板级支持包)是指给目标板提供特定操作系统支持的代码，介于底层硬件和操作系统之间，是完成嵌入式操作系统移植和相关驱动程序开发的关键。X i l i n x 公司在嵌入式开发软件)a 玲中采用了以M L D(M i c r o p r o c e s s o rL i b r a r yD e f i n i t i o n，微处理器库定义)专有格式为基础的动态可定制的B S P 生成技术，实现了B S P 和软件库的自动化生成。每个操作系统和库都有各自唯一的M L D文件和与之相关的1 L(T o o lC o m m a n dL a n g u a g e，工具命令语言 文件。M L D 文件是数据定义文件，通过X P S 中设置的一组参数来定义库和操作系统。这些参数值将保存在X P S内部数据库中，在输出生成时供脚本文件使用。T C L 文件是脚本文件，包含了一组可以访问整个设计数据库的程序。X P S 软件通过调用它来创建定制B S P。利用m 生成B S P 的流程如图2 所示。匿H 茎到M L DT C L i 文件l 塑l1 拳橱T 一r I S E 平台操作系统开发环境图2l I S P 生成流程3P e t a L i n u x 内核的移植方法3 1 搭建交叉开发环境为了便于在W i n d o w s 平台下开发基于P e t a L i n u x 的嵌入式系统，本文利用v I v I W a r e 虚拟机软件来搭建交叉开发环境，如图3 所示。首先，在主机的W i n d o w s 平台上安装虚拟机软件，然后通过源码树面而i 面丽耐操作系窥I 瞬瓦雨磊1 埴虚拟机系统l W i n d o w sX P操作系统围3 搭建交叉开发环境虚拟机来安装红帽子企业版R e dH a tE n t e r p r i s e4，最后在桌面L i n u x 系统中安装P e t a L i n u x 源码树。W i n d o w s 和L i n u x两种系统间的数据交换通过设置共享目录来实现。P e t a I J n u x 操作系统采用整合方式发布，下载的压缩包内已经包含了完整的交叉开发工具链，安装方法非常简单。(1)建立工作目录在L i n u x 操作系统的终端模式下运行“m k d i r h o m e e m b e d”命令，新建e m b e d 文件夹作为嵌入式开发的工作目录。(2)解压压缩包通过共享目录把P e t a L o g i x 公司发布的压缩包p e t a l i n u x-v 0 4 0 一r c 2 t a r g z 拷贝到e m b e d 工作目录中。然后在终端模式下运行“t a r-z x v fp e t a l i n u x-v 0 4 0 一r c 2 t a r g z”解压缩命令。解压缩完成后，在工作目录中会生成一个与压缩包相同名称的文件夹，P e t a L i n u x 内核源码、U b o o t 源码以及开发工具等资源均在其中的各个目录中。(3)设置环境变量P e t a L i n u x 系统已经为用户编写好了设置环境变量的脚本文件s e t t i n g s s h 和s e t t i n g s c s h。用户只需要根据宿主机操作系统s h e l l 的类型，运行相应的环境变量配置脚本即可完成P e t a L i n u x 开发环境的设置。需要注意的是，每次进入终端模式都必须运行一次环境变量配置脚本。(4)查看交叉编译器版本在终端模式下运行m i c r o b l a z e-u c l i n u x-g c c-v 命令，查看编译器的版本信息。如果交叉开发工具链安装没有问题，运行命令后在终端窗口将出现图4 所示的版本信息。图4 交叉编译器版本信思3 2 为目标板创建B S P在X P S 软件中生成板级支持包的具体方法如下：(1)安装板级支持包自动生成工具P e t a L i n u x 在发布时已经提供了完备的M L D 和T C L文件，位于压缩包h a r d w a r e e d k u s e r r e s p o s i t o r y 目录下。安装的方法非常简单，直接将e d k u s e r r e s p o s i t o r y目录下的p e t a l i n u xv l 一0 0 一a 和p e t a l i n u xv l 一0 0 一b 两个文件夹，拷贝到E D K 安装路径x：X i l i n x 1 0 1 E D K s w l i b b s p 下即可(其中，X 指W i n d o w s 系统中的磁盘盘符)。当重新启动X P S 时，P e t a L i n u x 操作系统选项便出现在2 2 羊；机乌嵌入式系 i-应国l 囫匝l 盈匿锄a d v m e s n e t c O I l l c n(广告专用)万方数据S o f t w a r e S o f t w a r eP l a t f o r mS e t t i n g s S o f t w a r eP l a t f o r m O S 下拉列表框中。(2)构建基于M i c r o B l a z e 的嵌入式硬件平台利用X P S 软件中的B S B 向导能够快速构建简单的嵌入式系统，而且可以通过添加I PC a t a l o g 中提供的I P 核，或者用户根据需求自己设计的I P 核来进一步完善嵌入式系统的功能，完成基于M i e r o B l a z e 的S O P C 硬件系统的设计。(3)配置软件平台在X P S 软件界面中，选择S o f t w a r e 菜单中S o f t w a r eP l a t f o r mS e t t i n g s 选项。弹出的对话框中有S o f t w a r eP l a t f o r m、O Sa n dL i b r a r i e s 和D r i v e r s 三个选项卡。在S o f t w a r eP l a t f o r m 选项卡的O S 下拉列表框中选择P e t a L i n u x 操作系统，在V e r s i o n 下拉列表框中选择1 0 0 b版本，如图5 所示。当仅限于使用L i n u x 2 4 内核时，也可以选择1 0 0 a 版本。图5 嵌入式操作系统的选择在O Sa n dL i b r a r i e s 选项卡中根据目标板的实际情况为操作系统设置相关参数。相关参数的设置情况如表l所列。表1X P S 软件中P e t a L i n u x 参数设置情况选项名称参数设置备注l m b m e m o r yd l m bc o n t l r片f：存储器选择f l a s h m e m o r y _ o f f s e tOf l a s h m e m o r y _ s i z eOf l a s h m e m o r y s t a r t1f l a s h m e m o r y b a n kOf l a s h m e m o r yB P IF l a s hF l a s h 类型选择m a i n m e m o r y o f f s e t0m a i n m e m o r y s i z eOm a i n m e m o r y s t a r t一1m a i n m e m o r y b a n kOm a i n m e m o r yd d r主存储器类刷选择s t d i nR$2 3 2标准输入外设选择s t d o u tR S 2 3 2标准输_ l f j 外设选择T A R G E TD I R缺省配置文件保存路径T E c H N O L O G YR E v|E w技术纵横(4)生成板级支持包在X P S 软件中，选择S o f t w a r e 菜单中的G e n e r a t eL i b r a r i e sa n dB S P s 选项，系统调用库生成工具L i b g e n 依据用户定义的硬件平台自动生成板级支持包，并保存在工程目录m i c r o b l a z e O l i b s r c p e t a l i n u x v l 一0 0 一b s r c 下。同时，在上一级目录中将生成包含了硬件平台完整描述信息的配置文件，即用于2 4 内核的a u t o-c o n f i g i n 文件和用于2 6 内核的K c o n f i g a u t o 文件。当硬件平台发生更改时，必须再次运行G e n e r a t el i b r a r i e sa n dB S P s 选项，重新生成B S P。3 3为P e t a L i n u x 操作系统传递配置信息P e t a L i n u x 操作系统中的A u t o C o n f i g 结构允许将硬件配置信息传递到B o o t l o a d e r 和L i n u x 内核配置中，并利用E D K 工程目录中的M S S 文件为特定硬件平台自动配置内核和B o o t l o a d e r。下面介绍具体实现方法。(1)创建并配置新平台这里以用户使用自行设计的目标板为例，首先为目标板建立一个新的设计平台，在终端模式下运行以下命令。c d h o m e e m b e d p e t a l i n u x-v O 4 0 一r c 2 s o f t w a r e p e t a l i n u x-d i s tp e t a l i n u x-n e w-p l a t f o r m-k2 6-vX i l i n x Pn e w l 8 0 0m a k em e n u e o n f i g命令执行后，将创建一个名称为n e w l 8 0 0 的平台，同时进入终端式内核配置菜单。利用上下光标键选择V e n d o r P r o d u c tS e l e c t i o n 选项，单击回车键进入下一级菜单。在该菜单中选择供应商和产品，如图6 所示。图6V e n d o r P r o d u c tS e l e c t i o n 菜单(2)拷贝E D K 工程文件拷贝E D K 工程文件到h a r d w a r e u s e-p l a t f o r m 路径下，该路径是脚本工具默认的操作位置。通过共享文件夹将整个工程文件夹拷贝到L i n u x 环境中。(3)传递配置信息系统配置过程中将利用a u t o-e o n f i g i n 文件、或者p a p e r m e s n e t C O l l Lc n(投稿专用)豳哑鬣露羽团M i e r o e o n t r o l l e，。E m b 出ds，。锄23万方数据K c o n f i g a u t o 文件中硬件信息为内核构建M a k e f i l e 文件。P e t a L i n u x 提供的脚本命令可以快速地将该文件拷贝到P e t a L i n u x 源码树中。直接在终端模式下运行p e t a l i n u x-c o p y a u t o c o n f i g 脚本命令即可。3 4配置和编译P e t a L i n u x 内核L i n u x 内核支持多种配置方法，其中“m a k em e n u c o n-f i g”方法基于文本图形化终端来显示配置菜单，是目前使用最广泛的配置方法。在终端模式下运行“m a k em e n u-c o n f i g”命令即可进入配置界面，再选择K e r n e l L i b r a r y D e f a u l tS e l e c t i o n 选项，设置内核版本为l i n u x 一2 6 X。同时，选中c u s t o m i z ek e r n e ls e t t i n g s 和c u s t o m i z ev e n d o r u s e rs e t t i n g s 选项，即可进行内核设置和用户功能设置。L i n u x 内核配置选项众多，实际上大部分选项可以使用默认值，只有少部分需要用户根据所使用硬件平台的实际情况以及对操作系统的功能需求来进行选择。内核配置完成后，选择保存退出。在终端模式下运行“m a k ea l l”命令，系统便开始编译内核及相关应用。编译过程时间比较长，通过观察终端上显示的编译信息，可以了解编译的进度、出现的错误和警告信息等。如果内核配置没有问题，则编译成功后，在s o f t w a r e p e t a l i n u x-d i s t i m a g e s 目录下将生成各种不同格式的镜像文件。3 5下载内核生成的内核文件是否正确，需要通过在实际硬件环境中运行来检验。在调试阶段下载内核到目标板一般可以通过J T A G、串口、以太网和U S B 接口来进行数据传输。为了方便调试，这里通过J T A G 接口采取X M D 调试方式，动态加载和启动P e t a L i n u x。具体步骤如下：(1)连接硬件调试环境通过J T A G 电缆连接P C 机和目标板的J T A G 接口，作为内核下载通路；通过串行电缆连接P C 机串口和目标板串口，作为控制台通路；通过5 类网络电缆连接P C 机网口和目标板网口，作为以太网测试通路。【2)设置软件环境使用W i n d o w sX P 自带的超级终端工具作为控制台软件。控制台参数设置为：波特率1 1 52 0 0b s，8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验，无流量控制。P C 机的I P 地址设置为1 9 2 1 6 8 0 1，同时关闭W i n d o w sX P 的防火墙。(3)配置F P G A启动X P S 开发平台，选择D e v i c eC o n f i g u r a t i o n 菜单中的D o w n l o a dB i t s t r e a m 选项，下载硬件比特流文件d o w n l o a d b i t。(4)利用X M D 加载内核镜像到外部存储器将s o f t w a r e p e t a l i n u x-d i s t i m a g e s 目录下的二进制格式的i m a g e b i n 文件复制到W i n d o w s 主机中的E D K 工程目录下。启动X M D 命令行界面，输入以下命令d o w-d a t ai m g e b i n0 x 8 6 0 0 0 0 0 0其中，0 x 8 6 0 0 0 0 0 0 是外部存储器的起始地址。当内核镜像加载到存储器之后，在X M D 命令行中继续输入c o n0 x 8 6 0 0 0 0 0 0如果内核文件没有错误，M i c r o B l a z e 将启动P e t a L i n u x操作系统，系统的启动信息将输出到超级终端上。(5)登录系统内核启动完成后将显示“u C l i n u xl o g i n：”，提示用户输入用户名和密码登录系统。输入用户名r o o t 和密码r o o t，即可登录P e t a L i n u x 操作系统。此时串口作为P e t a L i n u x操作系统的控制台，通过超级终端软件来接收串口数据和发送串口数据。在超级终端上运行l s 命令，即可显示根文件系统下的目录结构。结语X i l i n x 公司的M i c r o B l a z e 软核处理器一直处于不断发展和完善的状态，应用范围也将越来越广泛。本文详细介绍了P e t a L i n u x 操作系统，并总结出了P e t a L i n u x 操作系统的移植方法，这对设计基于M i c r o B l a z e 处理器的嵌入式系统具有重要的指导意义。本文为期刊缩略版，全文见本刊网站W W W m e s n e t c o r n c n。-互参考文献 1 杨强浩，等基于E D K 的F P G A 嵌入式系统开发 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 8 2 h t t p：w w w x i l i n x c o m i s e e m b e d d e d e p a r t n e r s l i s t i n g h t m 3 P e t a L o g i xC o r p o r a t i o n E m b e d d e dL i n u xo nX i l i n xM i c r o B l a z eL a bM a n u a l，2 0 0 8 4 h t t p：w w w p e t a l o g i x c o m r e s o u r c e s d o c u m e n t a t i o n p e t a l i n u x 5 R i c kM o l e r e s G e n e r a t i n gE f f i c i e n tB o a r dS u p p o r tP a c k a g e s J X i l i n xX c e l lJ o u r n a l，2 0 0 6(5 6)：4 8 5 1 6 D e r e kP a l m e r L o w e r i n gt h ec o s to fL i n u x J X i l i n xE m b e d d e dm a g a z i n e，2 0 0 6(1 1)：I I 一1 3 张元铜(讲师)。主要研完方向为数字系统设计与嵌入式系统；向勇(硕士研究生)，主要研究方向为计算机技术l 郑志国，主要研究方向为数事通信技术。(收稿日期：2 0 1 0 0 3 0 8)2 4 羊 虹名丧入戈豪惦应国I 圆豳l 露巨黝a d v m e s n e t c o m c n(广告专用)万方数据PetaLinux操作系统在MicroBlaze系统中的移植PetaLinux操作系统在MicroBlaze系统中的移植作者：张元铜，向勇，郑志国，Zhang Yuantong，Xiang Yong，Zheng Zhiguo作者单位：张元铜,Zhang Yuantong(重庆通信学院,重庆,400035)，向勇,Xiang Yong(重庆师范大学)，郑志国,Zheng Zhiguo(总参通信部驻广州地区军事代表室)刊名：单片机与嵌入式系统应用英文刊名：MICROCONTROLLERS&EMBEDDED SYSTEMS年，卷(期)：2010(7)参考文献(6条)参考文献(6条)1.Derek Palmer Lowering the cost of Linux 2006(11)2.Rick Moleres Generating Efficient Board Support Packages 2006(56)3.查看详情4.PetaLogix Corporation Embedded Linux on Xilinx MicroBlaze Lab Manual 20085.查看详情6.杨强浩 基于EDK的FPGA嵌入式系统开发 2008 本文链接：http:/