基于nios和μClinux的嵌入式系统设计.docx

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1、基于nios和Clinux的嵌入式系统设计caojing导语：嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操纵系统以及用户应用程序四局部组成，其开展主要表达在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操纵系统以及用户应用程序四局部组成，其开展主要表达在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。随着芯片制造技术的开展，嵌入式系统的构造也随之发生了重大变革，从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统，继而将可编程逻辑pldprogrammablelogicdevice技术引入到嵌入式系统设计中

2、，进而又开展到socsystemonchip，最终将pld与嵌入式处理器结合而成为sopcsystemonprogrammablechip，使得sopc成为嵌入式系统设计的一个开展趋势。本文采用sopc内嵌32位的软核处理器nios，实现了一个uart串行口和以太网接口的转换器以下简称转换器，并基于microtronix公司针对nios处理器移植的Clinux开发了应用程序其系统构造如图l所示。1基于sopc的嵌入式硬件平台构建不同于基于处理器或者控制器及soc的嵌入式系统，基于sopc的嵌入式系统具有可配置的特点，不会包括任何专用外设，而是可根据需要灵敏地在一片fpga中构造外设接口。基于s

3、opc的嵌入式系统主要由1片核心芯片sopc和片外器件，以及一些相关的接口设备组成。本文所要实现的转换器采用altera公司的cyclone芯片及外围电路组成，其中外围电路包括2片512kb的sram、l片8mb的flash、uart电子转换器和1片以太网控制器lan91c111。系统电路框图如图2所示。sopc芯片内嵌软核处理器nios。在sopc芯片中，除了cpu外，可配片上rom、内部定时器、uart串行口、sram、flash接口等系统部件。这些部件均以可编程逻辑部件的形式实现，芯片内部部件构造图如图3所示。cpu和所有部件通过avalon总线连接在一起。sopc芯片内系统模块和ava

4、lon总线模块均由sopcbuilder工具自动生成，利用qualtusii集成开发环境可实现芯片内的逻辑设计及其引脚定义。经编译生成后缀为.sof的硬件映像文件，通过byteblasterii线缆下载到目的板的cyclone芯片中，或者将.sof文件转换成.flash文件，下载到目的板的flash中。这样就完成了转换器的硬件设计。2基于clinux的sopc应用程序开发应用程序的开发可在硬件平台上直接进展，但需理解所有硬件部件的细节，并编写相应的驱动子程序，其软件设计难度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操纵系统的应用程序，其所有的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件进展直接控制的底层驱动程序均封

5、装在操纵系统内，通过设备驱动程序接口来完成，用户只需在高层通过操纵系统所提供的系统调用进展编程。clinux是针对控制领域的嵌入式linux操纵系统，合适如nios处理器等不具备内存治理单元mmu的微处理器微控制器。基于操纵系统进展开发，需将操纵系统加载到硬件平台中，clinux可以以部件的形式集成到sopc系统中。2.1加载clinux系统的步骤将clinux加载到sopc目的板上时需提供一个穿插编译环境，硬件要求具有一个串口的pc工作站、基于nios处理器的sopc目的板和byteblastermv线缆等。软件需求windowsntv4.0、windows2000或者windowsxp、a

6、lteranios开发包ndk3.0中所提供的niosgnupro工具、aheranios开发包所提供的cygwin安装，以及quartusii可编程逻辑开发工具v2.2等。2.1.1创立和装载内核映像创立和装载clinux映像文件在linuxdeveloperbash环境下进展，首先需按以下步骤配置和构建内核。linuxdeveloperclinux：cdlinuxlinuxdeveloperlinux：makexconfiglinuxdeveloperlinux：makecleanlinuxdeveloper1inux：makedeplinuxdeveloperlinux：makelinu

7、xdeveloperclinux：makelinux.flash生成的linux.flash文件即为clinux内核映像。当sopc目的板加电，片内rom中的germs监控程序运行后，在linuxdeveloperclinux：下键入nios-runlinux.flash，即下载linux.flash文件到目的板上，完成内核映像的加载。2.1.2创立和装载根文件系统除了装载内核外，还需装载根文件系统。Clinux采用romfs文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少空间。在主机上linux的target目录表示在clinux下的根root目录。当前的脚本和工具可将target

8、目录转换成映像文件romdisk.flash，按如下步骤创立：linuxdeveloperclinux：makeclean_targetlinuxdeveloperclinux：makeromfs然后键入以下命令：linuxdeveloperclinux：nios-runromdisk.flash即将romdisk.flash文件下载到目的板上，完成clinux的根文件系统的加载。2.1.3加载应用程序用户应用程序可通过target目录加载到根文件系统中，可根据需要重建romdisk映像。应用程序在userland目录下，编译生成运行文件后拷贝到target目录树中，并根据target目录的内

9、容创立romdisk.flash文件。新建一个应用程序，首先翻开一个linuxdeveloperbash窗，在userland目录中创立一个目录app，应用程序源文件存放在此目录中，然后在userlandapp中建立一个makefile文件。makefile内容如下所示，其中appfile为应用程序名。stackslze=8192include.rules.makall：appfile.relocbfltsources=appfile.cinstall：$romfsinstappfile.reloebfh$romfsdirbinappfile$execsuffixclean：rm-f.iods

10、coreappfileappfile.elfappfile.bflt运行make对应用程序进展编译并修改userlandeonfig和userlandmakefile文件。在userlandconfig文件中，增加一行config_my_app=y，在userlandmakefile文件中，增加dir_$config_my_app+=app，进入userland子目录，运行make，即可将应用程序安装到userlandbin中，并根据userlandconfig文件中相应变量的指示将应用程序二进制拷贝到target目录中。最后，键入以下命令重新构建romdisk映像文件romdisk.flas

11、h，并下载到目的板上。linuxdeveloperuclinux：makeclean_targetlinuxdeveloperuclinux：makeromfslinuxdeveloperuclinux：nios-runromdisk.flash2.1.4运行clinux完成clinux内核及文件系统的装载后，即可运行clinux。键入g800000800000为启动代码地址，在sopcbuilder中设置，clinux自动完成初始化经过，用户输入登录用户名nios，密码clinux，出现clinux的提示符#，表示已进入clinux运行环境。2.2转换器应用程序的实现转换器应用系统主要完成网

12、络接口和串行接口间的数据传输，所传输的数据流如图4所示。clinux操纵系统中提供了网络驱动程序和串口驱动程序，并提供了多线程的支持。转换器应用系统中的串口收发数据和网络口收发数据是异步进展的，可分别作为一个任务来对待，任务间是并发的，因此可采用多线程程序设计技术来实现多任务间的并发执行，系统主程序流程图如图5所示。在此应用系统中有4个任务，分别创立4个线程：网络接收线程、网络发送线程、串口接收线程和串口发送线程。这4个线程可并发执行因网络速度与串口速度存在着差异，需设置相应的缓冲区来对收发数据进展缓冲。在此应用系统中设置两个环形缓冲区，如图4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收

13、网络数据，供存储从网络口接收的数据，然后串口从此缓冲区中取出数据发送。另一缓冲区uartrv_netsd_bur用于接收串口数据，然后网络口取出此缓冲区中数据发送出去。线程间需实现互相通讯和同步，共用缓冲区既要互斥执行又要同步执行，其操纵遵循消费者和消费者模型。线程间的互斥操纵采用互斥锁mu-tex来实现。线程间的同步通过设置两个指针来实现，一个是读指针，另一个是写指针，写指针指向队头，初始化为0，读指针指向队尾，初始化为bufsize-1。当写数据时，比拟读写指针是否相等，一样那么写线程阻塞；不相等，那么写入数据，然后将写指针加1。当读数据时，读指针加1，然后比拟读写指针是否相等，相等那么读线程阻塞；不相等，那么读出数据。网络发送线程流程图如图6所示和串口接收线程间共用环形缓冲区uartrv_netsd_buf。串口发送线程和网络接收线程共用环形缓冲区netrv_uartsd_buf。两线程间的关系和处理类似网络发送线程和串口接收线程。3系统测试完成转换器的软硬件设计后，按如图7所示，连接系统进展转换器数据的传输测试。在pc机a上运行串口收发程序，而在pc机b上运行以太网收发程序，经测试后数据传输无误。0