MicroBlaze處理器的PetaLinux操作系統(tǒng)移植

引言
隨著FPGA(Field Prograromable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)技術的迅速發(fā)展，SOPC(Systam On a Prograromable Chip，可編程片上系統(tǒng))作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，已逐漸成為一個新興的技術方向。SOPC融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能。其核心是在FPGA上實現(xiàn)的嵌入式微處理器核，而如何針對特定的微處理器選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)是SOPC開發(fā)的難點之一。本文針對Xilinx公司的MicroBlaze軟核，介紹了PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)及其移植方法，研究了PetaLinux的相關配置和啟動方案。

1 基于MicroBlaze處理器的系統(tǒng)設計
1．1 MicroBlaze處理器簡介
MicroBlaze軟核處理器是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強大的微處理器。它內部采用RISC架構的32位指令和數據總線，支持CoreConnect片上總線的標準外設計集合，具有兼容性和重復利用性，且可根據性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減，極大地擴展了應用范圍，其最精簡的核只需要將近400個Slice。
MicroBlaze的CoreConnect總線、它能夠將FPGA內各種不同的IP核連接到一起構成一個完整的系統(tǒng)。CoreConnect總線是一個總線標準的集合，它包括PLB總線(Processor Local Bus，處理器本地總線)，LMB總線(Local Memory Bus，高速本地存儲器總線)，F(xiàn)SL(Fast Simplex Link，快速單連接)總線，以及XCL(Xilinx CacheLink)總線等。
1．2 系統(tǒng)結構和外部設備概述
本系統(tǒng)主要是在Virtex-4開發(fā)板上構建一個以MicroBlaze處理器為中心的嵌入式信號處理系統(tǒng)，在FPGA內部實現(xiàn)系統(tǒng)的總線架構、數據存儲、地址譯碼、外設接口等系統(tǒng)部件和功能。各功能部件在FPGA內部都以IP核的形式構建并連接，整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

其中，SysACE用于存放文件系統(tǒng)和應用程序配置文件，INTC用來實現(xiàn)中斷控制；GPIO和UART 16550用于系統(tǒng)調試，自定義IP核DDC用來實現(xiàn)數字接收機下變頻功能，這些外設通過PLB總線與MicroBlaze處理器和DDR相連；用于快速傅里葉變換的自定義IP核FFT通過FSL總線與Micr-oBlaze內部通用寄存器直接相連，實現(xiàn)了數據的快速傳輸；DDR通過XCL總線與MicroBlaze處理器相連，實現(xiàn)了MicroBlaze處理器對片外存儲器的高速訪問。
1．3 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇
選用PetaLinux嵌入式操作系統(tǒng)。它是PetaLogix公司專門針對FPGA的片上系統(tǒng)設計的嵌入式Linux開發(fā)套件，在滿足應用工程的邏輯編程能力和對嵌入式Linux要求的同時，可極大地縮短產品開發(fā)周期。PetaLinux作為專門針對于Xilinx FPGA的嵌入式Linux解決方案，不但提供了專門的BSP生成器，而且提供了眾多的參考設計，可以幫助設計者快速掌握PetaLinux的配置方法。PelaLinux內核正在不斷的完善之中，且不斷地加入基于Xilinx FPGA嵌入式系統(tǒng)IP核的設備驅動，比如XilinxUSB、SysACE、FSL總線設備驅動、10／100／1000M三態(tài)以太網MAC等。這些設備驅動極大地減輕了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的工作量，縮短了產品開發(fā)的周期。

2 PetaLinux系統(tǒng)移植
在SOPC硬件系統(tǒng)構建完成后，就要針對此結構配置操作系統(tǒng)內核，下面介紹具體步驟。
2．1 建立交叉編譯環(huán)境
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般采用交叉編譯的方法，即在宿主機上對內核和應用程序進行編譯，生成目標機處理器可執(zhí)行的二進制位流文件，將此文件下載到目標機運行。PetaLinux針對MicroBlaze處理器建立了交叉編譯器，運行source．／settings．sh腳本，系統(tǒng)會自動建立交叉環(huán)境。