基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設計

　　Linux操作系統的加載與燒寫

　　加載Linux操作系統需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內核。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關硬件的驅動源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑，然后在軟件平臺設置中選擇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，中斷以及驅動信息，把他加入到Linux 內核中，然后配置內核選項選擇對應的處理器架構、所選硬件的驅動模塊以及需要的其他內核模塊，之后再對完成配置的內核進行編譯，生成Linux 的內核image 文件。生成內核image 文件之后，還需要生成系統運行所需要的根文件系統。根文件系統中包含了嵌入式Linux系統的所有應用程序、庫以及系統配置等相關文件。根文件系統中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構造。構造完成之后，在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統的目錄樹，并添加相關設備文件和配置文件以及系統運行時需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統，ramdisk.image。把他拷貝到內核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt，生成最終的系統文件。需要指出的是，在編譯linux內核時，需要設置好交叉編譯環境：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，然后執行$source .bashrc

　　把生成的zlmage.initrd 文件通過 EDK 軟件下的XMD調試窗口，使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中，然后運行 run命令，就正常啟動Linux了。

　　程序下載到 DDR中，掉電后，數據就丟失了，不能保存和連續使用，因此要把操作系統燒寫到FLASH，上電后讓它能自動運行，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文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件，需要在EDK Shell下運行下面命令：

　　$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，讓系統自動生成Bootlooder程序。操作系統燒寫到Flash中后，需要FPGA在上電后自動從FLASH讀取操作系統數據，然后自動運行，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命令就能實現。最后把生成的.mcs文件燒寫到FPGA PROM中，上電后，系統就能自動運行了。

　　設計結果與分析

　　在Linux系統正常加載后，我們設計一個程序，它通過以太網，從上位機獲得數據，存入FPGA內部BlockRam中，再在ISE中編寫程序，把獲得的數據取出，產生頻率可變的波形發生器，并回傳發送的參數給上位機。

　　通過實驗證明，在FPGA加入操作系統后，能輕松實現網絡數據的收發，并通過FPGA自身的邏輯，產生我們需要的各種控制信號，做到了系統的統一調度和各個功能的并行處理，發揮了操作系統和FPGA各自的優勢。但是也發現，FPGA下操作系統運行的頻率不高，最多600MHz，中斷響應間隔較長，大約3ms左右，系統上電啟動時間較長，大約40s左右，這些都需要在今后設計中進一步完善和提升。

　　結語

　　本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設計流程，從硬件設計到Linux系統加載，再到應用程序運行整個過程，從中可以看出，該設計既發揮了FPGA并行處理和多時序控制上的優勢，也發揮了嵌入式Linux系統調度和可裁剪性方面的優勢，還提高了這個系統的穩定行，也減少了FPGA 與外部高速總線連接的資源開銷，二者的結合, 既滿足了嵌入式應用按需定制、量體裁衣的需求, 又能開發出穩定而功能強大的嵌入式系統，在現在嵌入式系統開發中有很好的運用。

　　參考文獻：

　　[1] Xilinx PowerPC 405 Processor Block Reference Guide.2006

　　[2] Xilinx Virtex-4 User Guide.2005

　　[3] 田耘, 胡彬. Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA開發指南[M]. 北京：郵電出版社, 2008

　　[4] 師若鳴, 姜中華. Fedora Core2系統配置與管理[M]. 北京：清華大學出版社, 2005

　　[5] 盧敏等. 基于Linux的SoPC應用系統設計[J]. 計算機技術與應用, 2007(6)

　　[6] 孫航. Xilinx可編程邏輯器件的高級應用與設計技巧[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004

linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）