摘 要： 利用XILINX公司的EDK軟件搭建一個(gè)基于PowerPC的片上系統(tǒng)，并且在定制的SoPC系統(tǒng)上移植Linux系統(tǒng)，最后利用此系統(tǒng)完成了一個(gè)具體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，這種基于Linux的SoPC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很好地結(jié)合了SoPC和Linux系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),用戶可以根據(jù)需要靈活地定制出軟硬件平臺(tái)，滿足復(fù)雜多變的嵌入式需求，加速產(chǎn)品的開發(fā)。
關(guān)鍵詞： SoPC； Linux； 嵌入式
SoPC(System on Programmable Chip)是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先，它是一種SoC系統(tǒng)，即由一個(gè)芯片完成系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程的片上系統(tǒng)，即可配置、可裁減、可擴(kuò)充、可升級，具有硬件系統(tǒng)的可編程性。采用SoPC的設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性。它可以根據(jù)需要定制各個(gè)硬件模塊，包括處理器、總線、存儲(chǔ)器和通信模塊等，這就使得在一個(gè)芯片上搭建一個(gè)按需定制的SoC系統(tǒng)成為可能。而Linux系統(tǒng)也因?yàn)槠淞己玫目刹脺p、可配置的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級的應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等，同時(shí)Linux是一個(gè)成熟的開源操作系統(tǒng)，有豐富的應(yīng)用資源。利用這些資源和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，用戶可以基于嵌入式Linux快速地開發(fā)出面向復(fù)雜應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。因此，結(jié)合SoPC和Linux優(yōu)勢，可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)根據(jù)需求量體裁衣，去除冗余。本文給出基于Linux的SoPC應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法及一個(gè)具體的嵌入式應(yīng)用開發(fā)實(shí)例。
1 硬件開發(fā)環(huán)境
1.1 開發(fā)平臺(tái)
本文所采用的開發(fā)平臺(tái)是AVNET公司生產(chǎn)的VIRTEX-II PRO FF1152開發(fā)板，它使用XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA芯片XC2VP50-6FF1152C，同時(shí)開發(fā)板還有2個(gè)8MB×32的SDRAM存儲(chǔ)器、2個(gè)RS232接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)LCD顯示屏、8個(gè)LED燈，同時(shí)支持SPI-4.2的高速16bit LVDS接口、iSFP GbE光纖接口、System ACE接口以及一個(gè)P160標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展模塊[1]。
1.2 基于PowerPC的片上系統(tǒng)
XC2VP50-6FF1152C芯片內(nèi)部含有兩個(gè)IBM PowerPC 405核。PowerPC405是32位的RISC處理器，它采用IP植入架構(gòu)的形式整合到XILINX公司的Virtex-II Pro FPGA器件中。
PowerPC硬核具有許多優(yōu)點(diǎn)適合軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)[2]：具有三個(gè)定時(shí)器：即可編程的內(nèi)部定時(shí)器、固定的內(nèi)部定時(shí)器和看門狗定時(shí)器和靈活的存儲(chǔ)管理和用于加強(qiáng)計(jì)算功能的乘法累加指令。PowerPC的強(qiáng)大功能可以勝任許多復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)對處理能力和運(yùn)算速度的需求。同時(shí)，利用雙核機(jī)制以及操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度可以大幅度地提高處理速度。
通過XILINX公司的EDK開發(fā)軟件，可以很方便地在Virtex-II Pro系列芯片上搭建自己需要的硬件系統(tǒng)。處理器方面可以選擇硬核IP：PPC405，或者軟核IP：Microblaze；總線有OPB和PLB兩種總線可供選擇；同時(shí)，還有豐富的外圍IP可以選擇；在通信方面，分別有支持高速和低速的通信模塊。支持高速的IP有：plb_etherne、opb_ethernet、opb_ethernetlite和plb_gemac等，支持低速的IP有：opb_iic、opb_spi、opb_uart16550和opb_uartlite等；在存儲(chǔ)控制器方面，可選擇的 IP有opb_sdram、opb_ddr、opb_emc、opb_sysace、plb_sdram、 plb_ddr和plb_emc等模塊；其他方面還有支持中斷、定時(shí)、GPIO、PCI等功能的IP模塊。豐富的IP模塊，加上可以利用IPIC（IP Interconnect）連接用戶定制的IP，因而用戶使用CPU時(shí)，不需要再另外使用一個(gè)SDRAM控制器芯片，或者另外使用一個(gè)以太網(wǎng)的控制芯片，極其方便。
可編程片上系統(tǒng)由處理器、總線互連和外圍設(shè)備等組成，典型的基于PowerPC的片上系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。
1.3 CoreConnect的總線結(jié)構(gòu)[3]
總線互連是片上系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)采用了CoreConnect的總線結(jié)構(gòu)。該總線結(jié)構(gòu)是IBM公司開發(fā)的一種片上通信的總線互連技術(shù)。它的應(yīng)用使得系統(tǒng)核、外設(shè)核、處理器核的復(fù)用、連接變得更加容易。這里，系統(tǒng)核是針對PLB總線上的功能IP模塊的，而外設(shè)核是針對OPB總線上的功能模塊的。CoreConnect總線互連是由本地邏輯總線PLB（Peripheral Logic Bus）、片上外圍總線 OPB（On chip Peripheral Bus）、一個(gè)總線橋、兩個(gè)判決器，以及設(shè)備控制總線DCR（Device Control Register構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 基于Linux的SoPC系統(tǒng)構(gòu)建
系統(tǒng)的構(gòu)建包括，硬件平臺(tái)的搭建和Linux操作系統(tǒng)的移植。首先進(jìn)行項(xiàng)目需求分析，決定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的硬件IP核，繼而搭建硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)構(gòu)建完成之后，利用EDK軟件生成相關(guān)的硬件參數(shù)文件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件。用戶需要利用生成的文件構(gòu)建Linux內(nèi)核，同時(shí)需要構(gòu)建適用于內(nèi)核的根文件系統(tǒng)，最后在構(gòu)建完成的操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)所需功能的應(yīng)用程序接口。其中根文件系統(tǒng)的構(gòu)造要考慮內(nèi)核中提供的服務(wù)和功能以及應(yīng)用程序所需的系統(tǒng)命令等。同樣所要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能又影響著內(nèi)核服務(wù)和功能的選擇。根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口以及內(nèi)核三者是互相影響的。具體的構(gòu)建流程圖如圖3所示。
